【STM32+cubemx】0013 HAL库开发：SPI总线访问气压计BMP280/BME280

本节我们介绍stm32的SPI总线接口，并使用SPI接口来访问气压计BMP280。

1）SPI基础知识

SPI（Serial Peripheral Interface）串行外围设备接口，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，一般需要四根线：

MISO：主器件数据输入，从器件数据输出；

MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入；

SCK：时钟信号，由主设备控制发出，MISO和MOSI上的数据在SCK信号的跳变沿发送变化；

CS（stm32中称为NSS）：片选信号，由主设备控制，当CS为低电平时，表示选中从器件，主器件可以与该从器件通信。

当SPI总线上只有一个从设备时，可以把从机的片选直接接地，也即一直选中：

当SPI总线上有多个从器件时，需要给每个从设备分配一个CS信号，以保证可以和每个从设备独立通信，而其他三根线可以共用，如下图所示：

（这里我们只讲最常用的SPI总线，有3线制的，还有接线为菊花链式的不在本文讨论范围）

SPI的时钟和数据的关系可以有四种模式：

时钟极性（CPOL）定义了时钟空闲状态电平：

CPOL=0：空闲时，时钟为低电平；

CPOL=1：空闲时，时钟为高电平。

时钟相位（CPHA）定义数据的采集时间：

CPHA=0：在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样；

CPHA=1：在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。

四种模式的区别，如下图所示：

使用前我们需要依据从设备的要求，把主设备设置为相同的模式。

标准的4线制SPI总线是全双工通信。

从上面的图中，我们也可以看出，MOSI和MISO是同时在传输数据的，实际上，每个时钟周期，主设备都会向从设备传输1bit数据，而同时从设备也向主设备传输了1bit数据。只是，当主设备向从设备写入数据的时候，我们只关心MOSI的数据；而当主设备读取从设备的数据时，我们只关心MISO的数据。

以气压传感器BMP280为例，它用SPI接口通信时，时序要求如下图：

则我们使用stm32的SPI接口和它通信时，需要设置为CPOL=1空闲时，时钟为高电平、CPHA=1在时钟的第二个跳变沿进行数据采样。

2）stm32的SPI总线使用

Stm32带了硬件SPI，下面我们就使用stm32的硬件SPI读取气压计BMP280的数据。

我们仍然以串口的工程为基础，在它上面添加设置，如下图，选择SPI接口：

需要设置的包括：

Mode：选择全双工主设备（因为我们的stm32是主控，BMP280是从设备；全双工就是我们前面讲的4线制SPI，收、发各用一条线；也用收发共用一条线的，那么就是半双工，3线制SPI）；

Prescaler：设置分频系数，即SPI总线的时钟频率（BMP280手册中要求不大于10M）；

CPOL和CPHA：前面有详细说过，不罗嗦了；

NSS：CS片选这里使用软件方式，主要是软件方式可以适应挂载多个从设备，以后移植起来方便很多；片选设置为软件方式就是用软件控制一个IO口作为CS信号，所以还要设置一个输出的GPIO，图中设置的是PA4。

设置完成后，芯片引脚的PA4、5、6、7被占用为SPI的几个信号线。

在硬件连接上，我们把BMP280也按四线制SPI方式连接，如下图：

CSB连接到PA4，SCK连接到PA5，SDO连接到PA6，SDI连接到PA7

生成工程代码，在keil中打开。Stm32的hal库已经将SPI的初始化、SPI的读写操作封装成了函数，我们直接调用即可。

首先在main主循环之前，增加如下代码，拉高PA4（即拉高片选CS，初始状态不选中）：

之后添加如下代码，读取BMP280的芯片id并打印：

操作过程是先拉低片选CS线，再访问从设备，访问完毕后拉高CS线。

主要讲讲访问从设备的HAL_SPI_TransmitReceive这个函数，用于读取从设备的的数据。

该函数的第二个参数是要发送的数据首地址，第三个参数是接收数据存放的首地址，第四个参数是要传输的数据字节数，最后是超时。

我们结合BMP280读取数据的方法来看：

按照数据手册，读取数据时，先发送寄存器地址（一个字节），然后之后从机就会回传数据（多个字节）。

这里要注意一下，因为4线制的SPI总线，本质上是主设备和从设备在数据交换。

BMP280的芯片id存放在其寄存器地址0xD0处，所以把0xD0存到tx_data的第一个字节处，后面的我们不关心，因为只有第一个字节是起作用的。

HAL_SPI_TransmitReceive执行完之后，从机发来的数据存放在rx_data中，由于从机返回的数据是从第二个字节开始有效的，所以从机发来的数据是从rx_data[1]开始的。

我们“交换”了两个字节数据，从机返回的一个字节数据在rx_data[1]中。

程序运行结果如下，可以看到成功读取到了BMP280的id值0x58：

能够通过SPI成功读取BMP280芯片内的数据，我们就已经成功了一大半。之后的操作只需要启动转换、读取数值计算结果，就可以获取气压值了。

启动转换的过程如下，即是往0x74寄存器地址写入0xff，操作过程如下：

（注意这一步是必须的，否则回读的气压数据会一直不变化。）

然后就是读取数值、计算气压结果了；这里也需要几步，先要从芯片内读取已经存好的校准参数，然后读取芯片内的AD转换值，最后依据手册中给出的公式计算出温度、气压值结果。

读取校准参数和AD转换值的过程也是用HAL_SPI_TransmitReceive这个函数，限于篇幅就不贴代码了，可以到文末获取完整工程代码。

实测气压的分辨率很高，上下移动电路板10cm就能出现比较稳定的气压变化，实际中很多情况下用来测量相对高度的变化。另外说一下BMP280同系列的BME280，还具有测量湿度的功能。

3）SPI和I2C的比较

SPI相比与I2C，需要的信号线要多一些，而且从设备越多则需要占用更多的CS线；

但是SPI的速率可以快很多，一般达到几M的速率是没问题的，而I2C一般到几百k就比较吃力了，这主要是因为I2C的高电平是靠电阻上拉实现的，而SPI总线的状态都是靠IO口推挽结构实现。

几乎所有的芯片，如果有I2C功能都会同时支持SPI功能，大家可以依据具体场景选择合适的来使用。

本文中完整工程代码可以在下面下载：

土豪通道：test12_SPI.zip-嵌入式文档类资源-CSDN下载

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