【ARM 裸机开发 (IMX6ULL-mini)】SPI 协议与ADXL345 三轴加速度传感器-平芜编程栈

文章目录

- 前言
- 一、SPI基础概念
- 二、SPI的时序
- 三、IMX6ULL上的SPI
- - 3.1 概念及原理框图
  - 3.2 相关寄存器
  - - RXDATA
    - TXDATA
    - CONREG
    - CONFIGREG
    - STATREG
- 四、ADXL345加速度传感器
- 五、SPI初始化
- 六、SPI读写函数
- 七、ADXL345与IMX6ULL通信
- 八、UART、I2C与SPI对比

前言

在【ARM 裸机开发 (IMX6ULL-mini)】I2C协议详解这篇文章中详细讲解了IMX6ULL上的I2C协议，这篇文章将讲解另一个常用的通信协议SPI。两者在许多外设中，常常都能够使用，但还是有很多差异的，在这篇文章最后，会总结两者的区别。除此以外，本篇文章还会介绍ADXL345加速度传感器与IMX6ULL的SPI通信。

一、SPI基础概念

SPI：Serial Peripheral interface(串行外设接口)

SPI 接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI 是一种高速的，全双工，同步的串行通信总线。SPI数据发送与I2C一样是高位先行。

标准SPI采用四线组网方式，如下图：

➢SCLK：时钟信号线。与I2C类似的，所有设备都都需要时钟信号线进行同步，该信号由主机负责提供；
➢MOSI：主出从入，相当于主机的数据发送线；
➢MISO：主入从出，相当于主机的数据接收线；
➢CS：片选信号，与I2C不同，SPI设备没有所谓的从机地址，连接在总线上的设备通过CS片选信号选择。在同一时刻，总线上只有一个外设被选择，CS信号线通常是低电平有效的。

二、SPI的时序

SPI的通信时序与I2C不同，I2C的时序是固定的，时钟线(SCL)上的信号为高电平期间，数据线(SDA)上的数据必须保持稳定。只有在时钟线(SCL)上的信号为低电平期间，数据线(SCL)上的高电平或低电平状态才允许变化。但SPI的时序是取决于**时钟极性(Clock Polarity 简称CPOL)和时钟相位(Clock Phase简称CPHA)**的。

➢CPOL：规定了时钟信号线在空闲时的状态，CPOL=0表示时钟信号线在空闲时为低电平；CPOL=1表示时钟信号线在空闲是为高电平；
➢CPHA：与I2C不同，SPI的数据接收方并不是在时钟高或者低电平时采样的，而是在时钟信号处于沿时，至于是在上升沿还是下降沿取决于CPHA。CPHA=0表示是在时钟信号变化的第一个沿时采样，CPHA=1表示是在时钟信号变化的第二个沿时采样。

因此，我们可以得到这样的时序图：

无论哪种工作方式，SPI这种串行通信方式都是MSB先行的。

和I2C类似，大多数情况下与SPI外设的通信其实就是读写外设寄存器，这些寄存器同样也有着各自的地址。由于四线制SPI是全双工通信方式，在发送一个字节数据的同时，其实也就接收到了一个字节，因此，对于SPI来说，发送其实也就是接收。IMX6ULL有一个发送缓冲寄存器，同时也有一个接收缓冲寄存器，发送完一个字节之后，接收缓冲寄存器也会收到一个字节。

三、IMX6ULL上的SPI

3.1 概念及原理框图

IMX6ULL 自带的 SPI 外设叫做 ECSPI，全称是 Enhanced Configurable Serial Peripheral Interface，增强的SPI。ECSPI 有 6432 个接收**FIFO(RXFIFO)**和 6432 个发送FIFO(TXFIFO)。

IMX6ULL中一共有3个SPI。其中SPI3是引出了引脚。

IMX6ULL参考手册中的原理框图：

名称	全称	作用
TXDATA	发送FIFO	TX FIFO，64×32bit，CPU 往这里写待发送数据，写进去就进发送缓冲区
RXDATA	接收FIFO	RX FIFO，64×32bit，移位寄存器收到的数据存入这里；CPU 读这个寄存器拿收到的数据
STATREG	状态寄存器	标记 FIFO 满 / 空、传输完成、错误标志位
INTREG	中断寄存器	中断使能、中断标志控制，产生Interrupt Request
DMAREG	DMA 寄存器	DMA 相关配置，产生DMA Requests
PERIODREG	周期寄存器	硬件片选延时
TESTREG	测试寄存器	模块自测，调试用
CONREG	控制寄存器	核心配置：主 / 从模式、CPOL/CPHA、MSB/LSB、数据位宽、硬件 SS 使能

3.2 相关寄存器

在一般的SPI通信中我们主要用到RXDATA、TXDATA、CONREG、CONFIGREG、STATREG这五个寄存器：

RXDATA

TXDATA

CONREG

CONFIGREG

STATREG

四、ADXL345加速度传感器

ADXL345是一款三轴加速度传感器，主要特点如下：
➢ 测量范围：±2g、±4g、±8g、±16g设置；
➢ 分辨率：最高13位（3.9mg/LSB）；
➢ 工作电压：2.0V至3.6V；
➢ 低功耗：测量模式仅0.23mA，待机模式40μA；
➢ 核心功能：1、三轴加速度测量（X、Y、Z）；2、静态重力加速度测量； 3、动态加速度（震动、运动）测量； 4、自由落体检测； 5、单击/双击检测； 6、活动/非活动监测；
➢ 接口支持：SPI（3线和4线模式）、I2C数字接口
➢ 特色功能：1、内置32级FIFO缓冲； 2、可编程中断功能； 3、自动休眠和唤醒功能；
➢ 应用场景：1、移动设备方向检测； 2、游戏和虚拟现实控制器；3、运动检测和计步器；4、防盗系统的运动检测；5、工业振动监测；6、医疗设备姿态检测

时序图：

通过时序图可见ADXL345采用的是SPI通信模式3，即CPOL=1.CPHA=1。
这里需要注意一个细节，ADXL345在向寄存器写入和读取时，寄存器的最高位是不一样的，读的时候最高位为1，写的时候最高位为0。例如写数据到0x20寄存器时，先发0x20再发要写入的数据；读取时则需要先发0xA0，之后进入读取时序。

具体操作也是根据ADXL345参考手册操作相关寄存器。

五、SPI初始化

SPI3的四条线都是GPIO复用引脚，因此，我们需要将其配置为SPI模式。然后对SPI相关寄存器配置成我们想要的模式。

voidspi3_channel0_init(void){//片选IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20,0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20,0x10B1);//时钟IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK,0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK,0x10B1);//MISOIOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO,0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO,0x10B1);//MOSIIOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI,0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI,0x10B1);//通信前，CS拉高gpio_init(GPIO1,20,&(GPIO_Type_t){1,gpio_output});//SPI寄存器设置ECSPI3->CONREG=0;ECSPI3->CONREG|=(7<<20)|(0B1110<<12)|(2<<8)|(1<<4)|(1<<3)|(1<<0);ECSPI3->CONFIGREG=0;ECSPI3->CONFIGREG|=(1<<20)|(1<<4)|(1<<0);}

六、SPI读写函数

在完成初始化后，根据SPI读即是写，写即是读的特点，我们可以写出这样一个读写函数：

unsignedcharspi3_read_write(unsignedchardata){while((ECSPI3->STATREG&(1<<0))==0);ECSPI3->TXDATA=data;while((ECSPI3->STATREG&(1<<3))==0);returnECSPI3->RXDATA;}

七、ADXL345与IMX6ULL通信

根据ADXL345参考手册寄存器配置：0x31=0x0B开启满分辨率，±16g，0.0039g/LSB换算公式。原始数据拼接：低字节0x32在前，高字节0x33左移 8 位，CS 软件控制片选等，可以写出ADXL345的读函数、写函数、初始化函数、数据获取函数等。

structADXL345_Data{shortx;shorty;shortz;floatx_g;floaty_g;floatz_g;};externvoidadxl345_write(unsignedcharreg_addr,unsignedchardata);externunsignedcharadxl345_read(unsignedcharreg_addr);externvoidadxl345_init(void);externstructADXL345_Dataadxl345_read_data(void);

voidadxl345_write(unsignedcharreg_addr,unsignedchardata){// CS lowgpio_set_value(GPIO1,20,0);//主机发送寄存器地址spi3_read_write(reg_addr);//主机发送数据spi3_read_write(data);// CS highgpio_set_value(GPIO1,20,1);}unsignedcharadxl345_read(unsignedcharreg_addr){unsignedchardata;// CS lowgpio_set_value(GPIO1,20,0);//主机发送读取的寄存器地址spi3_read_write(reg_addr|0x80);//主机接收数据data=spi3_read_write(0x00);// CS highgpio_set_value(GPIO1,20,1);//返回数据returndata;}voidadxl345_init(void){//关闭中断adxl345_write(0x2E,0x08);//设置满分辨率和满量程adxl345_write(0x31,0x0B);//设置低功耗模式+配置采样速率adxl345_write(0x2C,0x08);//配置测量和唤醒模式adxl345_write(0x2D,0x0B);}structADXL345_Dataadxl345_read_data(void){structADXL345_Datadata;//x轴数据data.x=adxl345_read(0x32)|adxl345_read(0x33)<<8;//y轴数据data.y=adxl345_read(0x34)|adxl345_read(0x35)<<8;//z轴数据data.z=adxl345_read(0x36)|adxl345_read(0x37)<<8;//获得三轴加速度data.x_g=data.x*0.0039;data.y_g=data.y*0.0039;data.z_g=data.z*0.0039;returndata;}