04.ESP8266 SPI和I2C通信

 设备与设备之间的通信往往都伴随着总线的使用,而用得比较多的就当属于SPI总线和I2C总线,而恰巧NodeMcu也支持这两种总线通信,所以本章的主要内容就是讲解ESP8266 SPI和I2C总线的使用。

SPI总线

SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术,是一种高速的、全双工、同步的通信总线。通过它可以连接使用同样接口的外部设备。例如,ESP8266模组上,ESP8266EX芯片就是通过SPI接口与外接flash芯片连接的。
    SPI作为一种总线通信方式,可以通过SPI接口连接多个从设备,并通过片选控制来选择对某一设备进行连接使用。如下图所示:

SPI的通信原理很简单,它是全双工主从通信方式,这种模式下通常有一个主设备和一个或者多个从设备(注意,同一时刻,只有一个主设备和一个从设备进行通信),需要至少4根线,特殊情况下(单向传输时)3根线也可以。
    SPI的器件工作在SPI规定下的两种基本模式,即SPI主模式和SPI从模式。在一个SPI设备中,通常有如下表的几个引脚:

引脚名称 引脚说明
MISO(Master In Slave Out) 主设备数据输入,从设备数据输出
MOSI(Master Out Slave In) 主设备数据输出,从设备数据输入
SCK(Serial Clock) 用于通信同步的时钟信号,该时钟信号由主机产生
SS(Slave Select)或CS(Chip Select) 从设备片选使能信号,由主设备控制

主设备负责启动通信,负责输出时钟信号以及选择通信的从设备。当有多个从设备的时候,因为每个从设备上都有一个CS引脚接入到主设备中,当我们主设备和某个从设备通信时将需要将从设备的CS引脚电平设置为低电平或者高电平(根据实际情况而定)。数据的收发通过MISO和MOSI进行。

NodeMcu的SPI(注意与HSPI区分)引脚(SD0-SD3、CLK、CMD)专门用于与ESP-12E的外接flash芯片进行Quad-SPI通信,因此不能用于SPI应用。基于ESP8266的NodeMcu具有HSPI,具有4个可用于SPI通信的引脚(GPIO12-GPIO15)。通过这个SPI接口,我们可以将任何支持SPI的设备与NodeMcu连接起来,并与其进行通信。下图显示NodeMcu的SPI部分:

Arduino Core For ESP8266的SPI类库定义在SPI.h头文件中。该类库只提供了作为SPI主设备的API,其成员函数如下:

1.begin()
    该功能用于初始化SPI通信。
    语法:SPI.begin()
    参数:无;
    返回值: 无;
    2.end()
    该功能用于关闭SPI通信。
    语法:SPI.end()
    参数:无;
    返回值: 无;
    3.setBitOrder()
    设置数据传输顺序。
    语法:SPI.setBitOrder(order)
    参数:
        order,传输顺序,取值为:
        ~ LSBFIRST,低位在前;
        ~ MSBFIRST,高位在前。
    返回值: 无;
    4.setClockDivider()
    设置通信时钟。时钟信号由主机产生,从机不用配置。但主机的SPI时钟频率应该在从机允许的处理速度范围内。
    语法:SPI.setClockDivider(divider)
    参数:
        divider,SPI通信的时钟是由系统时钟分频得到的。可使用的分频配置为:
        ~ SPI_CLOCK_DIV2,2分频;
        ~ SPI_CLOCK_DIV4,4分频(默认配置);
        ~ SPI_CLOCK_DIV8,8分频;
        ~ SPI_CLOCK_DIV16,16分频;
        ~ SPI_CLOCK_DIV32,32分频;
        ~ SPI_CLOC K_DIV64,64分频;
        ~ SPI_CLOCK_DIV128,128分频;
    返回值: 无;
    5.setDataMode()
    该功能用于设置数据模式。
    语法:SPI.setDataMode(mode)
    参数:
        mode,可配置的模式,包括:
        ~ SPI_MODE0;
        ~ SPI_MODE1;
        ~ SPI_MODE2;
        ~ SPI_MODE3;
    返回值: 无;
    注意点:
    SPI四种模式中,SPI的相位(CPHA)和极性(CPOL)分别可以为0或者1,对应的4种组合构成了4种模式:
    ~ SPI_MODE0:CPOL=0,CPHA=0;
    ~ SPI_MODE1:CPOL=0,CPHA=1;
    ~ SPI_MODE2:CPOL=1,CPHA=0;
    ~ SPI_MODE3:CPOL=1,CPHA=1;
    时钟极性CPOL:即SPI空闲时,时钟信号SCLK的电平(1是空闲时高电平,0是空闲时低电平)。
    时钟相位CPHA:即SPI在SCLK第几个边沿开始采样(0是第一个边沿开始,1是第二个边沿开始)。
    6.transfer()
    该功能用于传输1B的数据,参数为发送的数据,返回值为接收到的数据。SPI是全双工通信,因此每发送1B的数据,也会接收到1B的数据。
    语法:SPI.transfer(val)
    参数:
        val,要发送的字节数据。
    返回值: 从机返回的1B数据;
    7.transfer16()
    该功能用于传输2B的数据,参数为发送的数据,返回值为接收到的数据。
    语法:SPI.transfer16(val)
    参数:
        val,要发送的16位(uint16_t)数据。
    返回值: 从机返回的2B数据;
    注意点: 发送的uint16_t数据,其实底层也是分开两个字节分别发送两次,接收到的2B数据,也会重新组装成uint16_t数据;
    8.transferBuf()
    该功能用于传输一个缓冲区数据,参数为发送的缓冲区buf。
    语法:SPI.transfer(buf,count)
    参数:
        buf,要发送的缓冲区(uint8_t*)数据。
        count,缓冲区的大小。
    返回值: 无;
    注意点: 虽然没有返回值,但是从从机传输回来的数据会替换掉buf缓冲区的数据,所以调用完整个方法之后,buf里面的数据就是从机返回的数据;
    9.pins()
    该功能用于切换SPI引脚映射,需要在SPI.begin()之前调用SPI.pins(6,7,8,0)。
    语法:SPI.pins(sck, miso, mosi, ss)
    参数:
        sck,时钟引脚,固定为6;
        miso,主设备输入,从设备输出引脚,固定为7;
        mosi,主设备输出,从设备输入,固定为8;
        ss,使能信号引脚,固定为0。
    返回值: 无;
    注意点: 通常情况下,ESP8266的SPI对应引脚为MOSI-GPIO13,MISO-GPIO12,SCLK-GPIO14,SS-GPIO15。如果在调用SPI.begin()之前调用SPI.pins(6,7,8,0),那么引脚映射就会变成MOSI-SD1,MISO-SD0,SCLK-CLK,HWCS-GPIO0。可以看出它们和ESP8266模块的外接Flash共享了SPI引脚。这个时候SPI的SS控制位就不是由我们的代码来控制,而是由系统硬件本身来调配,因为它必须确保外接Flash的优先级是最高的。在此,笔者不建议这么用。

所有的SPI设置都由Arduino SPI控制寄存器(SPCR)来决定。这个寄存器就是微控制器内存的一个字节,它是可读写的。寄存器提供的服务通常有3类:控制、数据和状态。
    控制寄存器(SPCR)
    编码设置控制多种微控制器的功能。通常控制寄存器中的一个位影响某个特定的设置(学过单片机系统的读者应该比较了解这个,比如中断允许控制寄存器IE、中断优先级控制寄存器IP、定时器/计数器控制寄存器TCON等)。
    数据寄存器(SPDR)
    存储数据的寄存器,比如串行口锁存器SBUF,仅仅hold住了一个字节。比如,SPI数据寄存器hold住了要发往MOSI线的一个字节,或者这个数据是要从MISO线传入的。
    状态寄存器(SPSR)
    根据多种微控制器的条件改变其状态。比如,SPI状态寄存器(SPSR)的第七位被设置为1表示有数据从SPI传入或传出。
    在这里,我们主要讲解一下SPI控制寄存器(SPCR),一共有8位,每一个都控制了一种特定的SPI设置

位数 名字 描述
7 SPIE 置为1时,表示enable SPI的中断。
6 SPE 置为1时,表示enable SPI。
5 DORD 发送数据时,设置为1表示最低有效位,0表示最高有效位。
4 MSTR 设置为1表示Arduino为master模式,0为slave模式。
3 CPOL 即SPI空闲时,时钟信号SCLK的电平(1是空闲时高电平,0是空闲时低电平)。
2 CPHA 即SPI在SCLK第几个边沿开始采样(0是第一个边沿开始,1是第二个边沿开始)。
1 SPR1 设置SPI的速度,和SPR0组合
0 SPR0 设置SPI的速度,和SPR1组合,00是最快的(4MHz),11是最慢的(250KHz)。
这个我也没仔细理解,感觉目前用不到这个功能
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