66.6 邏輯分析儀測(cè)試UART和IIC

在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，大多數(shù)情況下程序代碼并不是一寫(xiě)出來(lái)就可以正常運(yùn)行，通常需要查找問(wèn)題，調(diào)試功能。在單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的變量和寄存器等參數(shù)可以通過(guò)在線仿真的方法查看，而單片機(jī)外部引腳的運(yùn)行就要使用示波器或邏輯分析儀來(lái)查看了。在分析數(shù)字信號(hào)以及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議信號(hào)方面，邏輯分析儀的分析功能比示波器更優(yōu)一些，下面就采用Kingst LA5016邏輯分析儀，針對(duì)6.5節(jié)的程序，將UART和I2C信號(hào)進(jìn)行抓取分析。

UART數(shù)據(jù)抓取和解析解碼的界面如圖6-6所示，從圖上可以看出，單個(gè)脈沖T1到T2之間的時(shí)間差是104us，時(shí)間差的倒數(shù)就是波特率，也就是9600。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)的時(shí)候，通道處于高電平，產(chǎn)生第1個(gè)低電平就是起始位，而后是8位數(shù)據(jù)位，最后是停止位，其中數(shù)據(jù)位的位置軟件都加了白點(diǎn)。最終，軟件根據(jù)協(xié)議設(shè)置選項(xiàng)將數(shù)據(jù)解析出來(lái)是0x31,0x32......。

圖6-6 Kingst LA5016邏輯分析儀解析UART數(shù)據(jù)

當(dāng)串口助手發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，讀到的數(shù)據(jù)不正確的時(shí)候，首先我們要判斷一下是單片機(jī)發(fā)送錯(cuò)了，還是電腦接收錯(cuò)了，這個(gè)時(shí)候可以通過(guò)分析儀測(cè)量一下UART串口通信波形以及解析的數(shù)據(jù)來(lái)判斷。如果分析儀抓到的都正確，那就說(shuō)明發(fā)送正確，接收方出現(xiàn)問(wèn)題。

如果分析儀抓取分析的數(shù)據(jù)，不是單片機(jī)想發(fā)送的數(shù)據(jù)，那說(shuō)明發(fā)送錯(cuò)了。既然發(fā)送錯(cuò)了，要么是程序問(wèn)題，要么是從EEPROM讀取的數(shù)據(jù)錯(cuò)了。這個(gè)時(shí)候需要抓一下從EEPROM讀到的數(shù)據(jù)。采集分析完從EEPROM讀到的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正確，那問(wèn)題可能就出在了讀數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)成UART發(fā)送給電腦的程序過(guò)程中；如果數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，那要么是存入EEPROM本來(lái)就是錯(cuò)誤的，要么是存入正確，讀取EEPROM的程序是錯(cuò)誤的，如圖6-7所示。

圖6-7 Kingst LA5016邏輯分析儀解析IIC數(shù)據(jù)

在圖6-7當(dāng)中，其中通道0是SCL，通道1是SDA。圖中可以看出讀寫(xiě)時(shí)序圖，并且可以將讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)解析出來(lái)，用來(lái)判斷出從EEPROM讀取的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)。

76.7 初識(shí)SPI總線協(xié)議

SPI(Serial Peripheral Interface)是一種高速的、全雙工、同步通信總線，常用于單片機(jī)和EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)字信號(hào)處理器等器件的通信。由于其簡(jiǎn)單實(shí)用，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，被廣泛應(yīng)用于外設(shè)控制領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）和從機(jī)選擇線（CS，也被稱(chēng)作SSEL或NSS）。SPI總線允許一對(duì)一或一對(duì)多通信，無(wú)論哪種方式，通信線路中只允許有一個(gè)主機(jī)。一對(duì)多通信要求從機(jī)共用SCK、MISO、MOSI，通過(guò)片選CS（NSS）選擇使能從機(jī)設(shè)備。從微觀角度上看主機(jī)一次只能與一個(gè)從機(jī)通信，比如主機(jī)先與從機(jī)1通信，然后再與從機(jī)2通信，如此循環(huán)，在宏觀角度上看就相當(dāng)于一個(gè)主機(jī)與兩個(gè)從機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，如圖6-8所示。

圖6-8 SPI接口連接示意圖

6.7.1 SPI通信原理

SPI總線與前面講的IIC總線類(lèi)似，都屬于同步通信，即通信雙方時(shí)必須使用相同的時(shí)鐘信號(hào)；都屬于一主多從結(jié)構(gòu)，即總線上只有一個(gè)主機(jī)，可以掛載多個(gè)從機(jī)。不同之處在于，IIC屬于單工通信，同一時(shí)刻只能收或者發(fā)，而SPI可以全雙工通信，同一時(shí)刻既能收又能發(fā)，因此SPI的通信速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)IIC，可以達(dá)到幾十Mbps。此外IIC通信可以由主從設(shè)備的任意一方發(fā)起，而SPI通信只能由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)不能主動(dòng)與主機(jī)通信，因?yàn)閺臋C(jī)不產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)。

SPI通信本質(zhì)上是一個(gè)串行移位過(guò)程。SPI主從設(shè)備構(gòu)成一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，SPI通信的主機(jī)一般是單片機(jī)，首先主機(jī)拉低CS(NSS)信號(hào)使能片選，告訴從機(jī)開(kāi)始通信，然后主機(jī)開(kāi)始輸出同步時(shí)鐘信號(hào)SCK，主機(jī)的移位寄存器通過(guò)MOSI移出1位數(shù)據(jù)，從機(jī)的移位寄存器通過(guò)該線移入這1位數(shù)據(jù)；同時(shí)從機(jī)的移位寄存器又通過(guò)MISO線移出1位數(shù)據(jù)，主機(jī)的移位寄存器通過(guò)該線移入這1位數(shù)據(jù)，因此在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，主從設(shè)備的雙向移位寄存器通過(guò)MOSI和MISO數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)了1 bit數(shù)據(jù)的交換，即雙方都發(fā)出并接收到1 bit數(shù)據(jù)。

6.7.2 SPI通信模式

I^2^C總線只有一種通信模式，即當(dāng)SCL在低電平的時(shí)候，向SDA輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)SCL在高電平的時(shí)候，對(duì)SDA上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。與I^2^C不同的是，SPI總線有四種通信模式，要了解這四種模式，首先我們得學(xué)習(xí)以下兩個(gè)名詞。

CPOL: Clock Polarity，就是時(shí)鐘的極性。時(shí)鐘的極性是什么概念呢？通信的整個(gè)過(guò)程分為空閑時(shí)刻和通信時(shí)刻，如果CPOL=1，那么SCLK在數(shù)據(jù)發(fā)送之前和之后的空閑狀態(tài)是高電平，如果CPOL=0，那么SCK煩人空閑狀態(tài)就是低電平。

CPHA: Clock Phase，意思是時(shí)鐘的相位，就是指數(shù)據(jù)采樣發(fā)生在第幾個(gè)時(shí)鐘邊沿， CPHA =0對(duì)應(yīng)著第一個(gè)時(shí)鐘邊沿，CPHA =1對(duì)應(yīng)著第二個(gè)時(shí)鐘邊沿。

主機(jī)和從機(jī)要交換數(shù)據(jù)，就牽涉到一個(gè)問(wèn)題，即主機(jī)在什么時(shí)刻輸出數(shù)據(jù)到MOSI上而從機(jī)在什么時(shí)刻采樣這個(gè)數(shù)據(jù)，或者從機(jī)在什么時(shí)刻輸出數(shù)據(jù)到MISO上而主機(jī)什么時(shí)刻采樣這個(gè)數(shù)據(jù)。同步通信的一個(gè)特點(diǎn)就是所有數(shù)據(jù)的變化和采樣都是伴隨著時(shí)鐘沿進(jìn)行的，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)總是在時(shí)鐘的邊沿附近輸出或被采樣。而一個(gè)時(shí)鐘周期必定包含了一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿，這是周期的定義所決定的，只是這兩個(gè)沿的先后并無(wú)規(guī)定。又因?yàn)閿?shù)據(jù)從產(chǎn)生的時(shí)刻到其穩(wěn)定是需要一定時(shí)間的，那么，如果主機(jī)在上升沿輸出數(shù)據(jù)到MOSI上，從機(jī)就只能在下降沿去采樣這個(gè)數(shù)據(jù)了。反之如果一方在下降沿輸出數(shù)據(jù)，那么另一方就必須在上升沿采樣這個(gè)數(shù)據(jù)。

CPHA=0，就表示數(shù)據(jù)的采樣是在一個(gè)時(shí)鐘周期的第一個(gè)沿上，至于這個(gè)沿是上升沿還是下降沿，這要視CPOL的值而定，CPOL=1那就是下降沿，反之就是上升沿。那么數(shù)據(jù)的采樣自然就是在第二個(gè)沿上了。

CPHA=1，就表示數(shù)據(jù)的采樣是在一個(gè)時(shí)鐘周期的第二個(gè)沿上，同樣它是什么沿由CPOL決定。CPOL=1那就是上升沿，反之就是下降沿。

以CPOL=1/CPHA=1，高位在前為例，把時(shí)序圖畫(huà)出來(lái)給大家看一下，如圖6-9所示。

圖6-9 SPI通信時(shí)序圖（一）

如圖6-10所示，當(dāng)數(shù)據(jù)未發(fā)送時(shí)以及發(fā)送完畢后，由于CPOL=1，因此SCK都是高電平。可以看出，在SCK第一個(gè)沿的時(shí)候，MOSI和MISO會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)SCK第二個(gè)沿的時(shí)候，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，此刻采樣數(shù)據(jù)是合適的，即一個(gè)時(shí)鐘周期的后沿鎖存并讀取數(shù)據(jù)，即CPHA=1。

注意最后最隱蔽的SSEL片選，這個(gè)引腳通常用來(lái)決定主機(jī)是和哪個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信。剩余的三種模式，直接把圖畫(huà)出來(lái)，簡(jiǎn)化起見(jiàn)把MOSI和MISO合在一起了，可以通過(guò)仔細(xì)對(duì)比加深對(duì)SPI通信的理解，SPI剩余三種模式時(shí)序如圖6-8所示。

需要解釋一下CPHA=0時(shí)的兩種模式時(shí)序圖，圖中數(shù)據(jù)采樣發(fā)生在數(shù)據(jù)輸出之前，可能會(huì)存在疑問(wèn)，主機(jī)和從機(jī)還未輸出數(shù)據(jù)就進(jìn)行采樣？圖中所示的數(shù)據(jù)輸出指的是輸出第二位數(shù)據(jù)，即圖中所示bit 6 位的數(shù)據(jù)。那么被采樣的數(shù)據(jù)位是什么時(shí)候輸出的？其實(shí)早在SCK信號(hào)由空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行顟B(tài)之前，即在SCK的第一個(gè)時(shí)鐘邊沿還要早半個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，SPI主機(jī)就已經(jīng)開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)了，但是SPI從機(jī)卻是在片選SSEL置低后開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)，總之SPI設(shè)備輸出數(shù)據(jù)要早于SCK，這也是為什么SPI通信時(shí)要先使能片選。

圖6-10 SPI通信時(shí)序圖（二）

86.8 配置STM32的SPI外設(shè)

STM32單片機(jī)的SPI接口允許芯片與外部設(shè)備以半/全雙工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式或從模式，當(dāng)被配置為主模式時(shí)，可以為外部從設(shè)備提供通信時(shí)鐘信號(hào)(SCK)。SPI接口擁有8個(gè)主模式波特率預(yù)分頻系數(shù)(最大為f PCLK /2，fPCL~~K為掛載SPI外設(shè)的APBx的時(shí)鐘頻率)。需要說(shuō)明的一點(diǎn)，由于APB1的最高頻率是36Mhz，APB2的最高頻率是72Mhz，SPI波特率預(yù)分頻系數(shù)為2時(shí)，位于APB2上的SPI外設(shè)理論上最大速率是36MHz，但是實(shí)際上由于STM32F103的硬件限制，SPI的最大速率只能達(dá)到18Mhz（選型手冊(cè)也有介紹）。此外，SPI接口還支持硬件的CRC校驗(yàn)，保證通信的可靠性。

6.8.1 SPI引腳

在配置STM32的SPI模塊為主機(jī)模式時(shí)，MOSI引腳是數(shù)據(jù)輸出，而MISO引腳是數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)被配置為從機(jī)模式時(shí) MOSI引腳則是數(shù)據(jù)輸入，MISO引腳是數(shù)據(jù)輸出。因此通信時(shí)主從設(shè)備的MOSI兩兩相連，MISO兩兩相連，此外還需要連接SCK和CS（NSS）引腳。

注意：SPI3模塊部分引腳與 JTAG引腳共用，這些引腳不受IO控制器控制，它們(復(fù)位后)被默認(rèn)保留為JTAG用途。如果想把引腳配置給SPI3，必須在初始化引腳時(shí)關(guān)閉JTAG并切換SWD接口，代碼為：

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);

// JTAG-DP 失能 + SW-DP 使能指令。

NSS：從設(shè)備選擇。作為“片選引腳”，這是一個(gè)可選的引腳，使得主設(shè)備可以單獨(dú)地與特定從設(shè)備通訊，避免數(shù)據(jù)線上的沖突。從設(shè)備的NSS引腳可以由主設(shè)備的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O引腳來(lái)驅(qū)動(dòng)，不一定非要SPI外設(shè)的NSS引腳，采用普通IO口作為NSS引腳時(shí)需要設(shè)置NSS引腳模式為軟件NSS模式。Kingst-32F1開(kāi)發(fā)板SPI2接口與多路設(shè)備通信，其從機(jī)的NSS引腳就是STM32的幾個(gè)普通I/O口，后續(xù)用到再詳細(xì)介紹。