【正点原子Linux连载】第二十七章 SPI实验 -摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.0

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第二十七章 SPI实验

同I2C一样，SPI是很常用的通信接口，也可以通过SPI来连接众多的传感器。相比I2C接口，SPI接口的通信速度很快，I2C最多400KHz，但是SPI可以到达几十MHz。I.MX6U也有4个SPI接口，可以通过这4个SPI接口来连接一些SPI外设。I.MX6U-ALPHA使用SPI3接口连接了一个六轴传感器ICM-20608，本章我们就来学习如何使用I.MX6U的SPI接口来驱动ICM-20608，读取ICM-20608的六轴数据。

27.1 SPI & ICM-20608简介 27.1.1 SPI简介 上一章我们讲解了I2C，I2C是串行通信的一种，只需要两根线就可以完成主机和从机之间的通信，但是I2C的速度最高只能到400KHz，如果对于访问速度要求比价高的话I2C就不适合了。本章我们就来学习一下另外一个和I2C一样广泛使用的串行通信：SPI，SPI全称是Serial Perripheral Interface，也就是串行外围设备接口。SPI是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工的同步通信总线，SPI时钟频率相比I2C要高很多，最高可以工作在上百MHz。SPI以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，一般SPI需要4根线，但是也可以使用三根线(单向传输)，本章我们讲解标准的4线SPI，这四根线如下： ①、CS/SS，Slave Select/Chip Select，这个是片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。I2C主机是通过发送从机设备地址来选择需要进行通信的从机设备的，SPI主机不需要发送从机设备，直接将相应的从机设备片选信号拉低即可。 ②、SCK，Serial Clock，串行时钟，和I2C的SCL一样，为SPI通信提供时钟。 ③、MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，简称主出从入信号线，这根数据线只能用于主机向从机发送数据，也就是主机输出，从机输入。 ④、MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，简称主入从出信号线，这根数据线只能用户从机向主机发送数据，也就是主机输入，从机输出。 SPI通信都是由主机发起的，主机需要提供通信的时钟信号。主机通过SPI线连接多个从设备的结构如图27.1.1.1所示：

图27.1.1.1 SPI设备连接图 SPI有四种工作模式，通过串行时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式： ①、CPOL=0，串行时钟空闲状态为低电平。 ②、CPOL=1，串行时钟空闲状态为高电平，此时可以通过配置时钟相位(CPHA)来选择具体的传输协议。 ③、CPHA=0，串行时钟的第一个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。 ④、CPHA=1，串行时钟的第二个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。 这四种工作模式如图27.1.1.2所示：

图27.1.1.2 SPI四种工作模式 跟I2C一样，SPI也是有时序图的，以CPOL=0，CPHA=0这个工作模式为例，SPI进行全双工通信的时序如图27.1.1.3所示：

图27.1.1.3 SPI时序图 从图27.1.1.3可以看出，SPI的时序图很简单，不像I2C那样还要分为读时序和写时序，因为SPI是全双工的，所以读写时序可以一起完成。图27.1.1.3中，CS片选信号先拉低，选中要通信的从设备，然后通过MOSI和MISO这两根数据线进行收发数据，MOSI数据线发出了0XD2这个数据给从设备，同时从设备也通过MISO线给主设备返回了0X66这个数据。这个就是SPI时序图。 关于SPI就讲解到这里，接下来我们看一下I.MX6U自带的SPI外设：ECSPI。 27.1.2 I.MX6U ECSPI简介 I.MX6U自带的SPI外设叫做ECSPI，全称是Enhanced Configurable Serial Peripheral Interface，别看前面加了个“EC”就以为和标准SPI有啥不同的，其实就是SPI。ECSPI有6432个接收FIFO(RXFIFO)和6432个发送FIFO(TXFIFO)，ECSPI特性如下： ①、全双工同步串行接口。 ②、可配置的主/从模式。 ③、四个片选信号，支持多从机。 ④、发送和接收都有一个32x64的FIFO。 ⑤、片选信号SS/CS，时钟信号SCLK极性可配置。 ⑥、支持DMA。 I.MX6U的ECSPI可以工作在主模式或从模式，本章我们使用主模式，I.MX6U有4个ECSPI，每个ECSPI支持四个片选信号，也就说，如果你要使用ECSPI的硬件片选信号的话，一个ECSPI可以支持4个外设。如果不使用硬件的片选信号就可以支持无数个外设，本章实验我们不使用硬件片选信号，因为硬件片选信号只能使用指定的片选IO，软件片选的话可以使用任意的IO。 我们接下来看一下ECSPI的几个重要的寄存器，首先看一下ECSPIx_CONREG(x=1~4)寄存器，这是ECSPI的控制寄存器，此寄存器结构如图27.1.2.1所示：

图27.1.2.1 寄存器ECSPIx_CONREG结构 寄存器ECSPIx_CONREG各位含义如下： BURST_LENGTH(bit31:24)：突发长度，设置SPI的突发传输数据长度，在一次SPI发送中最大可以发送212bit数据。可以设置0X000~0XFFF，分别对应1~212bit。我们一般设置突发长度为一个字节，也就是8bit，BURST_LENGTH=7。 CHANNEL_SELECT(bit19:18)：SPI通道选择，一个ECSPI有四个硬件片选信号，每个片选信号是一个硬件通道，虽然我们本章实验使用的软件片选，但是SPI通道还是要选择的。可设置为03，分别对应通道03。I.MX6U-ALPHA开发板上的ICM-20608的片选信号接的是ECSPI3_SS0，也就是ECSPI3的通道0，所以本章实验设置为0。 DRCTL(bit17:16)：SPI的SPI_RDY信号控制位，用于设置SPI_RDY信号，为0的话不关心SPI_RDY信号；为1的话SPI_RDY信号为边沿触发；为2的话SPI_DRY是电平触发。 PRE_DIVIDER(bit15:12)：SPI预分频，ECSPI时钟频率使用两步来完成分频，此位设置的是第一步，可设置015，分别对应116分频。 POST_DIVIDER(bit11:8)：SPI分频值，ECSPI时钟频率的第二步分频设置，分频值为2^POST_DIVIDER。 CHANNEL_MODE(bit7:4)：SPI通道主/从模式设置，CHANNEL_MODE[3:0]分别对应SPI通道3~0，为0的话就是设置为从模式，如果为1的话就是主模式。比如设置为0X01的话就是设置通道0为主模式。 SMC(bit3)：开始模式控制，此位只能在主模式下起作用，为0的话通过XCH位来开启SPI突发访问，为1的话只要向TXFIFO写入数据就开启SPI突发访问。 XCH(bit2)：此位只在主模式下起作用，当SMC为0的话此位用来控制SPI突发访问的开启。 HT(bit1)：HT模式使能位，I.MX6ULL不支持。 EN(bit0)：SPI使能位，为0的话关闭SPI，为1的话使能SPI。 接下来看一下寄存器ECSPIx_CONFIGREG，这个也是ECSPI的配置寄存器，此寄存器结构如图27.1.2.2所示：

图27.1.2.2 寄存器ECSPIx_CONFIGREG结构 寄存器ECSPIx_CONFIGREG用到的重要位如下： HT_LENGTH(bit28:24)：HT模式下的消息长度设置，I.MX6ULL不支持。 SCLK_CTL(bit23:20)：设置SCLK信号线空闲状态电平，SCLK_CTL[3:0]分别对应通道3~0，为0的话SCLK空闲状态为低电平，为1的话SCLK空闲状态为高电平。 DATA_CTL(bit19:16)：设置DATA信号线空闲状态电平，DATA_CTL[3:0]分别对应通道3~0，为0的话DATA空闲状态为高电平，为1的话DATA空闲状态为低电平。 SS_POL(bit15:12)：设置SPI片选信号极性设置，SS_POL[3:0]分别对应通道3~0，为0的话片选信号低电平有效，为1的话片选信号高电平有效。 SCLK_POL(bit7:4)：SPI时钟信号极性设置，也就是CPOL，SCLK_POL[3:0]分别对应通道3~0，为0的话SCLK高电平有效(空闲的时候为低电平)，为1的话SCLK低电平有效(空闲的时候为高电平)。 SCLK_PHA(bit3:0)：SPI时钟相位设置，也就是CPHA，SCLK_PHA[3:0]分别对应通道3~0，为0的话串行时钟的第一个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据，为1的话串行时钟的第二个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。 通过SCLK_POL和SCLK_PHA可以设置SPI的工作模式。 接下来看一下寄存器ECSPIx_PERIODREG，这个是ECSPI的采样周期寄存器，此寄存器结构如图27.1.2.3所示：

图27.1.2.3 寄存器ECSPIx_PERIODREG结构 寄存器ECSPIx_PERIODREG用到的重要位如下： CSD_CTL(bit21:16)：片选信号延时控制位，用于设置片选信号和第一个SPI时钟信号之间的时间间隔，范围为0~63。 CSRC(bit15)：SPI时钟源选择，为0的话选择SPI CLK为SPI的时钟源，为1的话选择32.768KHz的晶振为SPI时钟源。我们一般选择SPI CLK作为SPI时钟源，SPI CLK时钟来源如图27.1.2.4所示：

图27.1.2.4 SPI CLK时钟源 图27.1.2.4中各部分含义如下： ①、这是一个选择器，用于选择根时钟源，由寄存器CSCDR2的位ECSPI_CLK_SEL来控制，为0的话选择pll3_60m作为ECSPI根时钟源。为1的话选择osc_clk作为ECSPI时钟源。本章我们选择pll3_60m作为ECSPI根时钟源。 ②、ECSPI时钟分频值，由寄存器CSCDR2的位ECSPI_CLK_PODF来控制，分频值为2^ECSPI_CLK_PODF。本章我们设置为0，也就是1分频。 ③、最终进入ECSPI的时钟，也就是SPI CLK=60MHz。 SAMPLE_PERIO：采样周期寄存器，可设置为00X7FFF分别对应032767个周期。 接下来看一下寄存器ECSPIx_STATREG，这个是ECSPI的状态寄存器，此寄存器结构如图27.1.2.5所示：

图27.1.2.5 寄存器ECSPIx_STATREG寄存器 寄存器ECSPIx_STATREG用到的重要位如下： TC(bit7)：传输完成标志位，为0表示正在传输，为1表示传输完成。 RO(bit6)：RXFIFO溢出标志位，为0表示RXFIFO无溢出，为1表示RXFIFO溢出。 RF(bit5)：RXFIFO空标志位，为0表示RXFIFO不为空，为1表示RXFIFO为空。 RDR(bit4)：RXFIFO数据请求标志位，此位为0表示RXFIFO里面的数据不大于RX_THRESHOLD，此位为1的话表示RXFIFO里面的数据大于RX_THRESHOLD。 RR(bit3)：RXFIFO就绪标志位，为0的话RXFIFO没有数据，为1的话表示RXFIFO中至少有一个字的数据。 TF(bit2)：TXFIFO满标志位，为0的话表示TXFIFO不为满，为1的话表示TXFIFO为满。 TDR(bit1)：TXFIFO数据请求标志位，为0表示TXFIFO中的数据大于TX_THRESHOLD，为1表示TXFIFO中的数据不大于TX_THRESHOLD。 TE(bit0)：TXFIFO空标志位，为0表示TXFIFO中至少有一个字的数据，为1表示TXFIFO为空。 最后就是两个数据寄存器，ECSPIx_TXDATA和ECSPIx_RXDATA，这两个寄存器都是32位的，如果要发送数据就向寄存器ECSPIx_TXDATA写入数据，读取及存取ECSPIx_RXDATA里面的数据就可以得到刚刚接收到的数据。 关于ECSPI的寄存器就介绍到这里，关于这些寄存器详细的描述，请参考《I.MX6ULL参考手册》第805页的20.7小节。 27.1.3 ICM-20608简介 ICM-20608是InvenSense出品的一款6轴MEMS传感器，包括3轴加速度和3轴陀螺仪。ICM-20608尺寸非常小，只有3x3x0.75mm，采用16P的LGA封装。ICM-20608内部有一个512字节的FIFO。陀螺仪的量程范围可以编程设置，可选择±250，±500，±1000和±2000°/s，加速度的量程范围也可以编程设置，可选择±2g，±4g，±8g和±16g。陀螺仪和加速度计都是16位的ADC，并且支持I2C和SPI两种协议，使用I2C接口的话通信速度最高可以达到400KHz，使用SPI接口的话通信速度最高可达到8MHz。I.MX6U-ALPHA开发板上的ICM-20608通过SPI接口和I.MX6U连接在一起。ICM-20608特性如下： ①、陀螺仪支持X,Y和Z三轴输出，内部集成16位ADC，测量范围可设置：±250，±500，±1000和±2000°/s。 ②、加速度计支持X,Y和Z轴输出，内部集成16位ADC，测量范围可设置：±2g，±4g，±4g，±8g和±16g。 ③、用户可编程中断。 ④、内部包含512字节的FIFO。 ⑤、内部包含一个数字温度传感器。 ⑥、耐10000g的冲击。 ⑦、支持快速I2C，速度可达400KHz。 ⑧、支持SPI，速度可达8MHz。 ICM-20608的3轴方向如图27.1.3.1所示：

图27.1.3.1 ICM-20608检测轴方向和极性 ICM-20608的结构框图如图27.1.3.2所示：

图27.1.3.2 ICM-20608框图 如果使用IIC接口的话ICM-20608的AD0引脚决定I2C设备从地址的最后一位，如果AD0为0的话ICM-20608从设备地址是0X68，如果AD0为1的话ICM-20608从设备地址为0X69。本章我们使用SPI接口，跟上一章使用AP3216C一样，ICM-20608也是通过读写寄存器来配置和读取传感器数据，使用SPI接口读写寄存器需要16个时钟或者更多(如果读写操作包括多个字节的话)，第一个字节包含要读写的寄存器地址，寄存器地址最高位是读写标志位，如果是读的话寄存器地址最高位要为1，如果是写的话寄存器地址最高位要为0，剩下的7位才是实际的寄存器地址，寄存器地址后面跟着的就是读写的数据。表27.1.3.1列出了本章实验用到的一些寄存器和位，关于ICM-20608的详细寄存器和位的介绍请参考ICM-20608的寄存器手册： 寄存器地址 位 寄存器功能 描述 0X19 SMLPRT_DIV[7:0] 输出速率设置 设置输出速率，输出速率计算公式如下： SAMPLE_RATE=INTERNAL_SAMPLE_RATE/ (1 + SMPLRT_DIV) 0X1A DLPF_CFG[2:0] 芯片配置 设置陀螺仪低通滤波。可设置0~7。 0X1B FS_SEL[1:0] 陀螺仪量程设置 0：±250dps；1：±500dps；2：±1000dps 3：±2000dps 0X1C ACC_FS_SEL[1:0] 加速度计量程设置 0：±2g；1：±4g；2：±8g；3：±16g 0X1D A_DLPF_CFG[2:0] 加速度计低通滤波设置 设置加速度计的低通滤波，可设置0~7。 0X1E GYRO_CYCLE[7] 陀螺仪低功耗使能 0：关闭陀螺仪的低功耗功能。 1：使能陀螺仪的低功耗功能。 0X23 TEMP_FIFO_EN[7] FIFO使能控制 1：使能温度传感器FIFO。 0：关闭温度传感器FIFO。 XG_FIFO_EN[6] 1：使能陀螺仪X轴FIFO。 0：关闭陀螺仪X轴FIFO。 YG_FIFO_EN[5] 1：使能陀螺仪Y轴FIFO。 0：关闭陀螺仪Y轴FIFO。 ZG_FIFO_EN[4] 1：使能陀螺仪Z轴FIFO。 0：关闭陀螺仪Z轴FIFO。 ACCEL_FIFO_EN[3] 1：使能加速度计FIFO。 0：关闭加速度计FIFO。 0X3B ACCEL_XOUT_H[7:0] 数据寄存器 加速度X轴数据高8位 0X3C ACCEL_XOUT_L[7:0] 加速度X轴数据低8位 0X3D ACCEL_YOUT_H[7:0] 加速度Y轴数据高8位 0X3E ACCEL_YOUT_L[7:0] 加速度Y轴数据低8位 0X3F ACCEL_ZOUT_H[7:0] 加速度Z轴数据高8位 0X40 ACCEL_ZOUT_L[7:0] 加速度Z轴数据低8位 0X41 TEMP_OUT_H[7:0] 温度数据高8位 0X42 TEMP_OUT_L[7:0] 温度数据低8位 0X43 GYRO_XOUT_H[7:0] 陀螺仪X轴数据高8位 0X44 GYRO_XOUT_L[7:0] 陀螺仪X轴数据低8位 0X45 GYRO_YOUT_H[7:0] 陀螺仪Y轴数据高8位 0X46 GYRO_YOUT_L[7:0] 陀螺仪Y轴数据低8位 0X47 GYRO_ZOUT_H[7:0] 陀螺仪Z轴数据高8位 0X48 GYRO_ZOUT_L[7:0] 陀螺仪Z轴数据低8位 0X6B DEVICE_RESET[7] 电源管理寄存器1 1：复位ICM-20608。 SLEEP[6] 0：退出休眠模式；1，进入休眠模式 0X6C STBY_XA[5] 电源管理寄存器2 0：使能加速度计X轴。 1：关闭加速度计X轴。 STBY_YA[4] 0：使能加速度计Y轴。 1：关闭加速度计Y轴。 STBY_ZA[3] 0：使能加速度计Z轴。 1：关闭加速度计Z轴。 STBY_XG[2] 0：使能陀螺仪X轴。 1：关闭陀螺仪X轴。 STBY_YG[1] 0：使能陀螺仪Y轴。 1：关闭陀螺仪Y轴。 STBY_ZG[0] 0：使能陀螺仪Z轴。 1：关闭陀螺仪Z轴。 0X75 WHOAMI[7:0] ID寄存器，ICM-20608G的ID为0XAF， ICM-20608D的ID为0XAE。 表27.1.3.1 ICM-20608寄存器表 ICM-20608的介绍就到这里，关于ICM-20608的详细介绍请参考ICM-20608的数据手册和寄存器手册。 27.2 硬件原理分析 本试验用到的资源如下： ①、指示灯LED0。 ②、 RGB LCD屏幕。 ③、ICM20608 ④、串口 ICM-20608是在I.MX6U-ALPHA开发板底板上，原理图如图27.2.1所示：

图27.2.1 ICM-20608原理图 27.3 实验程序编写 本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 1、裸机例程-> 18_spi。 本章实验在上一章例程的基础上完成，更改工程名字为“icm20608”，然后在bsp文件夹下创建名为“spi”和“icm20608”的文件。在bsp/spi中新建bsp_spi.c和bsp_spi.h这两个文件，在bsp/icm20608中新建bsp_icm20608.c和bsp_icm20608.h这两个文件。bsp_spi.c和bsp_spi.h是I.MX6U的SPI文件，bsp_icm20608.c和bsp_icm20608.h是ICM20608的驱动文件。在bsp_spi.h中输入如下内容： 示例代码27.3.1 bsp_spi.h文件代码

1  #ifndef _BSP_SPI_H
2  #define _BSP_SPI_H
3  /***************************************************************
4  Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
5  文件名    : bsp_spi.h
6  作者      : 左忠凯
7  版本      : V1.0
8  描述      : SPI驱动头文件。
9  其他      : 无
10 论坛      : www.openedv.com
11 日志      : 初版V1.0 2019/1/17 左忠凯创建
12 ***************************************************************/
13 #include "imx6ul.h"
14 
15 /* 函数声明 */
16 void spi_init(ECSPI_Type *base);
17 unsigned char spich0_readwrite_byte(ECSPI_Type *base, 
unsigned char txdata);
18 #endif
	文件bsp_spi.h内容很简单，就是函数声明。在文件bsp_spi.c中输入如下内容：
示例代码27.3.2 bsp_spi.c文件代码
/***************************************************************
Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.
文件名   : bsp_spi.c
作者     : 左忠凯
版本     : V1.0
描述     : SPI驱动文件。
其他     : 无
论坛     : www.openedv.com
日志     : 初版V1.0 2019/1/17 左忠凯创建
***************************************************************/
1  #include "bsp_spi.h"
2  #include "bsp_gpio.h"
3  #include "stdio.h"
4  
5  /*
6   * @description  	: 初始化SPI
7   * @param - base 	: 要初始化的SPI
8   * @return         	: 无
9   */
10 void spi_init(ECSPI_Type *base)
11 {
12  	/* 配置CONREG寄存器
13   	 * bit0 :     	1   使能ECSPI
14   	 * bit3 :     	1   当向TXFIFO写入数据以后立即开启SPI突发。
15   	 * bit[7:4]：	0001 SPI通道0主模式，根据实际情况选择，开发板上的
16   	 *                     ICM-20608接在SS0上，所以设置通道0为主模式
17   	 * bit[19:18]:	00 	 选中通道0(其实不需要，因为片选信号我们我们自己控制)
18  	 * bit[31:20]:	0x7 突发长度为8个bit。 
19   	 */
20  	base->CONREG = 0; 							/* 先清除控制寄存器 */
21  	base->CONREG |= (1