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SPI 通信

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口） 是一种高速、全双工的同步串行通信协议。SPI 广泛应用于微控制器与各种外设之间的通信，如 SD 卡、显示屏、传感器、Flash 存储器等。

SPI 具有以下特点：

  • 四线通信：使用 4 根信号线进行通信（在单从设备时可减少为 3 根）
  • 主从架构：明确的主从关系，主设备控制通信时序
  • 全双工：可以同时进行数据发送和接收
  • 高速传输：速度通常比 I2C 和 UART 更快，可达到数十 MHz
  • 同步通信：由主设备提供时钟信号，确保数据传输的可靠性

SPI 协议的四根核心信号线分别为：

  • SCK（Serial Clock，时钟线）：串行时钟线。由主机产生的时钟信号，用于同步数据传输。
  • MOSI（Master Out Slave In，主出从入）：主出从入线。主设备通过这条线向从设备发送数据。
  • MISO（Master In Slave Out，主入从出）：主入从出线。从设备通过这条线向主设备发送数据。
  • SS/CS（Slave Select/Chip Select，从机选择/片选）：片选信号线。主机用此线选择当前要通信的从机，低电平为选中。

SPI 接线

提示

SPI 主机通过不同的 CS （片选）线选中目标从机。每增加一个 SPI 外设，就要多占用一个独立的 CS 引脚。

1. ESP32 中的 SPI​

ESP32 有多组硬件 SPI 控制器（常用 HSPI 和 VSPI），能灵活映射到大部分 GPIO。常见应用包括连接 SD 卡模块、TFT/OLED 屏、无线射频（nRF24L01）、AD/DA 芯片等。

ESP32 芯片通常有 4 个 SPI 控制器（以具体设备规格书为准）：

  • SPI0 和 SPI1：主要用于连接内部 Flash 存储器，一般不建议用户使用
  • SPI2 和 SPI3：可供用户自由使用的 SPI 控制器，可以分配到大多数 GPIO 引脚上

ESP32 的 SPI 引脚分配具有高度灵活性。这得益于其内部的 IO MUX 和 GPIO 矩阵 两种硬件路由机制：

  • IO MUX：为外设提供一组固定的、性能最优的默认引脚。使用这些引脚可以达到最高的通信速率，是驱动高速设备的理想选择。
  • GPIO 矩阵：允许将 SPI 功能路由到几乎任何可用的 GPIO 引脚。虽然最高速率会受到一定限制，但这为电路设计提供了极大的便利。

在 Arduino 编程环境中，使用 SPI.h 库即可方便地进行 SPI 外设的通信。

在 Arduino 中调用 SPI.begin() 时，如果不指定引脚，库会使用默认的 IOMUX 引脚。若提供了自定义的引脚号，则会通过 GPIO 矩阵进行路由。

2. 示例 1：使用 SPI 控制显示屏​

这个示例演示如何使用 SPI 接口驱动 OLED 显示屏。与 I2C 版本相比，SPI 版本的显示屏通常有更快的刷新速度。

2.1 搭建电路​

需要使用的器件有：

按照下面接线图连接电路：

ESP32-S3-Zero 引脚图

ESP32-S3-Zero-Pinout

接线图
ESP32 引脚OLED 模块说明
GPIO 13SCKSPI 时钟线
GPIO 11MOSISPI 数据输出
GPIO 10CS片选信号
GPIO 8DC数据/命令选择
3.3VVCC电源正极
GNDGND电源负极

2.2 代码​

提示

此代码示例依赖 "Adafruit_SSD1327" 库。请在 Arduino IDE 的库管理器中搜索并安装 'Adafruit SSD1327' 库。

安装方法请参考：Arduino 库管理教程。

#include <Adafruit_SSD1327.h>

#define OLED_SCK 13    // 时钟线
#define OLED_MOSI 11   // 数据输出线
#define OLED_CS 10     // 片选线

#define OLED_DC 8      // 数据/命令选择线
#define OLED_RESET -1  // 复位引脚（未使用）

// 创建显示器对象
Adafruit_SSD1327 display(128, 128, &SPI, OLED_DC, OLED_RESET, OLED_CS);

void setup() {

  Serial.begin(9600);

  // 初始化 SPI 总线
  SPI.begin(OLED_SCK, -1, OLED_MOSI, OLED_CS);

  Serial.println("SSD1327 OLED test");

  // 初始化显示器
  if (!display.begin()) {
    Serial.println("Unable to initialize OLED");
    while (1) yield();
  }

  // 显示设置
  display.clearDisplay();
  display.setRotation(3);
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(SSD1327_WHITE);

  // 显示文本
  display.setCursor(10, 10);
  display.println("Hello,");
  display.setCursor(40, 30);
  display.setTextColor(SSD1327_BLACK, SSD1327_WHITE);
  display.println(" World!");
  display.display();
  display.setCursor(15, 60);
  display.setTextColor(SSD1327_WHITE);
  display.println("SPI TEST");
  display.display();

  delay(1000);
}

void loop() {
}

2.3 代码解析​

  1. #include <SPI.h>: 引入 Arduino 的 SPI 通信库。

  2. SPI.begin(OLED_SCK, -1, OLED_MOSI, OLED_CS): 初始化 SPI 总线并指定引脚。

    • OLED_SCK: 时钟线引脚
    • -1: MISO 引脚（此处未使用，因为显示屏只需要单向数据传输）
    • OLED_MOSI: 数据输出线引脚
    • OLED_CS: 片选线引脚

  3. Adafruit_SSD1327 display(...): 创建显示器对象。

    • 128, 128: 屏幕分辨率
    • &SPI: 使用默认的 SPI 对象
    • OLED_DC: 数据/命令选择引脚
    • OLED_RESET: 复位引脚
    • OLED_CS: 片选引脚

  4. DC 引脚的作用: SPI 显示屏通常需要额外的 DC（Data/Command）引脚来区分传输的是显示数据还是控制命令。

2.4 运行结果​

  1. OLED 屏幕将被点亮，显示以下内容：

    • 第一行是白色字体的 “Hello,”。
    • 第二行是反色显示的 “ World!”（即黑色文字，白色背景）。
    • 第三行是白色字体的 “SPI TEST”。

3. 示例 2：使用多个 SPI 设备​

代码

在 SPI 库中，已经预先创建了 SPI 这个对象。如果要使用另一个 SPI 控制器，可以通过下面的方式定义：

#include <SPI.h>

SPIClass spiB(HSPI);    //需要在 setup() 函数前定义
....
spiB.begin(sclkB, misoB, mosiB, csB);

4. 相关链接​

最后由 wulu 于 更新