RT-Thread(RTT)之SPI设备使用（以驱动nrf24l01模块为例）

前言

本文目的，了解SPI和如何使用RT-Thread的SPI设备，通过SPI向nrf24l01模块中的寄存器写数据，再把数据读出来，验证数据是否一致,以验证SPI设备配置正确，是否能够正常使用

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一、SPI简介

1、SPI是Serial Peripherl Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口。

2、SPI主要应用于EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器

3、SPI采用主从工作方式，总线上有一个主设备和多个从设备

4、SPI传输数据时需要最多四根信号线分别是：
串行时钟信号SCLK由主设备产生发送给从设备；
MOSI主出从入引脚，主设备输出数据从设备接收数据；
MISO主入从出引脚，主设备接收数据从设备输出数据；
CS片选信号，由主设备输出的使能信号，用来选择与主设备通信的从设备

5、SPI总线有四种工作方式，取决于时钟极性CPOL和时钟相位CPHA

• CPOL定义了SCLK空闲时的状态电平

• CPHA定义了数据采集边沿

• 因此SPI通信有四种不同的工作模式，由时钟极性CPOL和时钟相位CPHA的组合决定

• 模式0：当CPOL=0和CPHA=0时，空闲时时钟为低电平，第一个时钟沿采样，因此模式0是在时钟上升沿进行采样

• 模式1：当CPOL=0和CPHA=1时，空闲时时钟为低电平，第二个时钟沿采样，因此模式1是在时钟下降沿进行采样

• 模式2：当CPOL=1和CPHA=0时，空闲时时钟为高电平，第一个时钟沿采样，因此模式2是在时钟下降沿采样

• 模式3：当CPOL=1和CPHA=1时，空闲时钟为高电平，第二个时钟沿采样，因此模式3是在时钟上升沿采样

• 在使用到SPI通信时，在确定CPOL和CPHA时，要以数据手册中的时序图为准，举个例子，下图是彩色OLED控制器SSD1351数据手册中关于SPI通信的时序图描述，可以看到手册中规定了时钟上升沿采样，所以我们配置SPI工作方式时只能选择模式0或模式3

6、SPI通信的优点和缺点

二、通过SPI向NRF24L01模块写数据再读出来，验证数据是否一致

1、创建一个工程

2、在board.h中打开SPI的注释，使用SPI几需要查看你自己板子上的硬件连接图

3、在RT-Thread Settings中打开SPI驱动程序使能

4、打开SPI模块使能注释

5、打开CubeMX进行配置

6、使用外部高速晶振作为时钟源

7、配置一下时钟线，频率直接拉满

8、配置调试接口

9、打开串口一，因为在创建工程的使用默认使用了串口一，所以这里也配置一下

10、配置SPI，二线全双工主模式

11、SPI参数配置

12、生成代码

13、点击Close

14、关掉CubeMX

15、点击确定

16、复制CubeMX自动生成的HAL_SPI_MspInit这段代码

17、粘贴到board.c的末尾

18、复制CubeMX自动生成的MX_SPI2_Init这段代码

19、粘贴到board.c的末尾，记得把static关键字去掉

20、编译一下，有如下报错

21、回到cubemx文件夹下的main.c文件中复制spi2句柄

22、粘贴到board.c文件的前面，并加上extern关键字

23、再编译一下，报错说函数重定义

24、双击错误，跳转进去后在cubemx文件夹下刚刚CubeMX自动生成的HAL_SPI_Msp_Init函数注释掉

25、再编译，无报错

26、在man.c主函数中输入如下代码

/*
 * Copyright (c) 2006-2023, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2023-12-21     RT-Thread    first version
 */

#include 
#include 
#include 
#include 
#include "drv_spi.h"

//NRF24L01寄存器操作命令
#define SPI_READ_REG    0x00  //读配置寄存器,低5位为寄存器地址
#define SPI_WRITE_REG   0x20  //写配置寄存器,低5位为寄存器地址
#define R_RX_PL_WID     0x60
#define RD_RX_PLOAD     0x61  //读RX有效数据,1~32字节
#define WR_TX_PLOAD     0xA0  //写TX有效数据,1~32字节
#define FLUSH_TX        0xE1  //清除TX FIFO寄存器.发射模式下用
#define FLUSH_RX        0xE2  //清除RX FIFO寄存器.接收模式下用
#define REUSE_TX_PL     0xE3  //重新使用上一包数据,CE为高,数据包被不断发送.
#define NOP             0xFF  //空操作,可以用来读状态寄存器
//SPI(NRF24L01)寄存器地址
#define NCONFIG          0x00  //配置寄存器地址;bit0:1接收模式,0发射模式;bit1:电选择;bit2:CRC模式;bit3:CRC使能;
                              //bit4:中断MAX_RT(达到最大重发次数中断)使能;bit5:中断TX_DS使能;bit6:中断RX_DR使能
#define EN_AA           0x01  //使能自动应答功能  bit0~5,对应通道0~5
#define EN_RXADDR       0x02  //接收地址允许,bit0~5,对应通道0~5
#define SETUP_AW        0x03  //设置地址宽度(所有数据通道):bit1,0:00,3字节;01,4字节;02,5字节;
#define SETUP_RETR      0x04  //建立自动重发;bit3:0,自动重发计数器;bit7:4,自动重发延时 250*x+86us
#define RF_CH           0x05  //RF通道,bit6:0,工作通道频率;
#define RF_SETUP        0x06  //RF寄存器;bit3:传输速率(0:1Mbps,1:2Mbps);bit2:1,发射功率;bit0:低噪声放大器增益
#define STATUS          0x07  //状态寄存器;bit0:TX FIFO满标志;bit3:1,接收数据通道号(最大:6);bit4,达到最多次重发
                              //bit5:数据发送完成中断;bit6:接收数据中断;
#define MAX_TX          0x10  //达到最大发送次数中断
#define TX_OK           0x20  //TX发送完成中断
#define RX_OK           0x40  //接收到数据中断

#define OBSERVE_TX      0x08  //发送检测寄存器,bit7:4,数据包丢失计数器;bit3:0,重发计数器
#define CD              0x09  //载波检测寄存器,bit0,载波检测;
#define RX_ADDR_P0      0x0A  //数据通道0接收地址,最大长度5个字节,低字节在前
#define RX_ADDR_P1      0x0B  //数据通道1接收地址,最大长度5个字节,低字节在前
#define RX_ADDR_P2      0x0C  //数据通道2接收地址,最低字节可设置,高字节,必须同RX_ADDR_P1[39:8]相等;
#define RX_ADDR_P3      0x0D  //数据通道3接收地址,最低字节可设置,高字节,必须同RX_ADDR_P1[39:8]相等;
#define RX_ADDR_P4      0x0E  //数据通道4接收地址,最低字节可设置,高字节,必须同RX_ADDR_P1[39:8]相等;
#define RX_ADDR_P5      0x0F  //数据通道5接收地址,最低字节可设置,高字节,必须同RX_ADDR_P1[39:8]相等;
#define TX_ADDR         0x10  //发送地址(低字节在前),ShockBurstTM模式下,RX_ADDR_P0与此地址相等
#define RX_PW_P0        0x11  //接收数据通道0有效数据宽度(1~32字节),设置为0则非法
#define RX_PW_P1        0x12  //接收数据通道1有效数据宽度(1~32字节),设置为0则非法
#define RX_PW_P2        0x13  //接收数据通道2有效数据宽度(1~32字节),设置为0则非法
#define RX_PW_P3        0x14  //接收数据通道3有效数据宽度(1~32字节),设置为0则非法
#define RX_PW_P4        0x15  //接收数据通道4有效数据宽度(1~32字节),设置为0则非法
#define RX_PW_P5        0x16  //接收数据通道5有效数据宽度(1~32字节),设置为0则非法
#define FIFO_STATUS     0x17  //FIFO状态寄存器;bit0,RX FIFO寄存器空标志;bit1,RX FIFO满标志;bit2,3,保留
                              //bit4,TX FIFO空标志;bit5,TX FIFO满标志;bit6,1,循环发送上一数据包.0,不循环;

//配对密码
const uint8_t TX_ADDRESS[]= {0xAA,0xBB,0xCC,0x00,0x01}; //本地地址
const uint8_t RX_ADDRESS[]= {0xAA,0xBB,0xCC,0x00,0x01}; //接收地址RX_ADDR_P0 == RX_ADDR

//NRF24L01发送接收数据宽度定义
#define TX_ADR_WIDTH    5                               //5字节的地址宽度
#define RX_ADR_WIDTH    5                               //5字节的地址宽度
#define TX_PLOAD_WIDTH  32                              //20字节的用户数据宽度
#define RX_PLOAD_WIDTH  32                              //20字节的用户数据宽度


#define NRF24L01_CSN_PIN GET_PIN(B,12)  //片选引脚
#define NRF24L01_CE_PIN GET_PIN(A,11)   //激活RX或TX模式
#define NRF24L01_IRQ_PIN GET_PIN(A,12)  //中断信号引脚，低电平有效


//24L01操作线
#define Set_NRF24L01_CSN    rt_pin_write(NRF24L01_CSN_PIN,PIN_HIGH)      //拉高CSN
#define Clr_NRF24L01_CSN    rt_pin_write(NRF24L01_CSN_PIN,PIN_LOW)      // 拉低CSN
#define Set_NRF24L01_CE     rt_pin_write(NRF24L01_CE_PIN,PIN_HIGH)  // 拉高CE
#define Clr_NRF24L01_CE     rt_pin_write(NRF24L01_CE_PIN,PIN_LOW)   // 拉低CE
#define READ_NRF24L01_IRQ   rt_pin_read(NRF24L01_IRQ_PIN)                          //读中断引脚

#define NRF24L01_SPI_BUS "spi2"     //spi2总线
#define NRF24L01_SPI_DEV_NAME "spi20"        //总线上的设备名，0号设备
static struct rt_spi_device *spi_dev_nrf24l01;    //spi设备句柄

//nrf204l01模块初始化
static void nrf24ll01_spi_init(void)
{
    //将spi设备挂载到总线
       rt_hw_spi_device_attach(NRF24L01_SPI_BUS,NRF24L01_SPI_DEV_NAME,GPIOB,GPIO_PIN_12);
    /* 查找 spi 设备获取设备句柄 */
    spi_dev_nrf24l01 = (struct rt_spi_device *)rt_device_find(NRF24L01_SPI_DEV_NAME);
    //配置spi参数
    struct rt_spi_configuration cfg;
    cfg.data_width = 8;//数据宽度为八位
    cfg.mode = RT_SPI_MASTER | RT_SPI_MODE_0 | RT_SPI_MSB;
    cfg.max_hz = 5*1000*1000;            //最大波特率,因为在cubemx配置分频后，spi2的波特率是4.5M，所以这里最大就写5了
    rt_spi_configure(spi_dev_nrf24l01, &cfg);


}

//初始化24L01的IO口
static void NRF24L01_Configuration(void)
{
    rt_pin_mode(NRF24L01_CE_PIN,PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(NRF24L01_IRQ_PIN,PIN_MODE_INPUT_PULLUP);//中断引脚上拉输入
    rt_pin_mode(NRF24L01_CSN_PIN,PIN_MODE_OUTPUT);     //片选引脚推挽输出

    Set_NRF24L01_CE;                                    //初始化时先拉高
    Set_NRF24L01_CSN;                                   //初始化时先拉高

    nrf24ll01_spi_init();         //配置spi

    Clr_NRF24L01_CE;                                    //使能24L01
    Set_NRF24L01_CSN;                                   //SPI片选取消

}

//通过SPI写寄存器
rt_uint8_t NRF24L01_Write_Reg(rt_uint8_t regaddr,rt_uint8_t data)
{
    rt_uint8_t status;

    status = rt_spi_send_then_send(spi_dev_nrf24l01,&regaddr,1,&data,1);

    return(status);                      //返回状态值

}


//在指定位置写指定长度的数据
//*pBuf:数据指针
rt_uint8_t NRF24L01_Write_Buf(rt_uint8_t regaddr, rt_uint8_t *pBuf, rt_uint8_t datalen)
{
    rt_uint8_t status;

    status = rt_spi_send_then_send(spi_dev_nrf24l01,&regaddr,1,pBuf,datalen);
    return status;                        //返回读到的状态值
}


//在指定位置读出指定长度的数据
//*pBuf:数据指针
//返回值,此次读到的状态寄存器值
rt_uint8_t NRF24L01_Read_Buf(rt_uint8_t regaddr,rt_uint8_t *pBuf,rt_uint8_t datalen)
{
    rt_uint8_t status;
    status = rt_spi_send_then_recv(spi_dev_nrf24l01,&regaddr,1,pBuf,datalen);

    return status;                        //返回读到的状态值

}

//上电检测NRF24L01是否在位
//写5个数据然后再读回来进行比较，
//相同时返回值:0，表示在位;否则返回1，表示不在位
rt_uint8_t NRF24L01_Check(void)
{
    rt_uint8_t buf[5]={0XA5,0XA5,0XA5,0XA5,0XA5};
    rt_uint8_t buf1[5];
    rt_uint8_t i;
    NRF24L01_Write_Buf(SPI_WRITE_REG+TX_ADDR,buf,5);//写入5个字节的地址.
    NRF24L01_Read_Buf(TX_ADDR,buf1,5);              //读出写入的地址
    for(i=0;i<5;i++)if(buf1[i]!=0XA5)break;
    if(i!=5)return 1;                               //NRF24L01不在位
    return 0;                                           //NRF24L01在位
}
void ANO_NRF_Init(rt_uint8_t model, rt_uint8_t ch)
{
    rt_uint8_t a = 0x50;
    rt_uint8_t b = 0x73;

    Clr_NRF24L01_CE;

    NRF24L01_Write_Buf(SPI_WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(rt_uint8_t*)RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH);  //写RX节点地址
    NRF24L01_Write_Buf(SPI_WRITE_REG+TX_ADDR,(rt_uint8_t*)TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);         //写TX节点地址
    NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG+EN_AA,0x01);                                          //使能通道0的自动应答
    NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);                                   //使能通道0的接收地址
    NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a);                                //设置自动重发间隔时间:500us;最大自动重发次数:10次 2M波特率下
    NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG+RF_CH,ch);                                        //设置RF通道为CHANAL
    NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG+RF_SETUP,0x0f);                                   //设置TX发射参数,0db增益,2Mbps,低噪声增益开启

    if(model==1)                //RX
    {
        NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);                              //选择通道0的有效数据宽度
        NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG + NCONFIG, 0x0f);                                      // IRQ收发完成中断开启,16位CRC,主接收
    }
    else if(model==3)       //RX2
    {
        NRF24L01_Write_Reg(FLUSH_TX,0xff);
        NRF24L01_Write_Reg(FLUSH_RX,0xff);
        NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG + NCONFIG, 0x0f);                                          // IRQ收发完成中断开启,16位CRC,主接收

        rt_spi_send(spi_dev_nrf24l01,&(a),1);
        rt_spi_send(spi_dev_nrf24l01,&(b),1);

        NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG+0x1c,0x01);
        NRF24L01_Write_Reg(SPI_WRITE_REG+0x1d,0x06);
    }

    Set_NRF24L01_CE;

}

int main(void)
{

    NRF24L01_Configuration();     //初始化io口，配置spi

    //进行nrf24l01在位检测
    do
      {
          ANO_NRF_Init(3,0);
      }while(NRF24L01_Check());

   //检测通过后，串口循环打印ok
    while(1)
    {
         rt_kprintf("ok\n");
         rt_thread_mdelay(500);

    }

    return RT_EOK;
}

27、对代码进行一些解释，在主函数里调用NRF24L01_Check()进行模块的在位检测，检测成功后，才能通过do-while循环，进入输出ok的循环，所以如果能够成功输出ok的话，说明SPI配置没问题，能够成功通信。

28、这是在位检测的代码，就是通过SPI向nrf24l01模块中的特定寄存器输入5个一样的值，然后再通过SPI从该寄存器中读出这五个值，如果输入的值和读出的值都一样，说明咱的SPI发送跟接收都没问题

29、还值得一提的是，通过SPI发送数据时，咱调用的是rt_spi_send_then_send（）这个RTT官方提供的库函数，这是连续两次发送数据，本函数适合向 SPI 设备中写入一块数据，第一次先发送命令和地址等数据，第二次再发送指定长度的数据。之所以分两次发送而不是合并成一个数据块发送，或调用两次 rt_spi_send()，是因为在大部分的数据写操作中，都需要先发命令和地址，长度一般只有几个字节。如果与后面的数据合并在一起发送，将需要进行内存空间申请和大量的数据搬运。而如果调用两次 rt_spi_send()，那么在发送完命令和地址后，片选会被释放，大部分 SPI 设备都依靠设置片选一次有效为命令的起始，所以片选在发送完命令或地址数据后被释放，则此次操作被丢弃。

30、读取数据时，咱调用的是rt_spi_send_then_recv（）这个RTT官方库函数

rt_err_t rt_spi_send_then_recv(struct rt_spi_device *device,
                               const void           *send_buf,
                               rt_size_t             send_length,
                               void                 *recv_buf,
                               rt_size_t             recv_length);

此函数发送第一条数据时开始片选，此时忽略接收到的数据，然后发送第二条数据，此时主设备会发送数据 0XFF，接收到的数据保存在 recv_buf 里，函数返回时释放片选。
本函数适合从 SPI 从设备中读取一块数据，第一次会先发送一些命令和地址数据，然后再接收指定长度的数据

31、编译下载后，查看串口，能够成功输出ok，说明spi配置正确，能够跟设备进行正常通讯