[实训] 实验1-SPI数据传输基础实验(上)

目  录​​​​​​​

一、实验目的

二、实验仪器及器件

三、实验内容及原理

四、实验步骤​​​​​​​

五、实验测试数据表格记录

六、实验数据分析及处理

七、实验结论与感悟

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一、实验目的

使用FPGA/ARM实现SPI数据传输实验；实现数据传输程序的编写、下载、传输验证、传输波形测量，发送的数据及其数据传送过程须通过示波器测量波形验证正确性。

基本要求：

1、掌握SPI数据传输的理论基础；

2、掌握数据传输程序的编写方法；

3、掌握数据传输程序的下载与验证方法；

4、掌握示波器测量波形的正确方法；

5、掌握示波器波形的分析方法。

二、实验仪器及器件

1. 电脑（Windows 10）
2. PSI-STP-ST-STM32F103实验箱（ARM）
3. 示波器

三、实验内容及原理

实验内容：基于SPI的DS1302实时时钟显示实验

使用ARM实验箱实现SPI数据传输实验；实现数据传输程序的编写、仿真、下载、传输验证；传输波形测量，发送的数据及其数据传送过程须通过示波器测量波形验证正确性。

说明：DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、星期、日、月和年。

   要求：

  （1）实现DS1302控制输出时钟，并将其用数码管显示时钟时间，精确到秒；

  （2）掌握示波器测量方法，利用示波器测量波形，要求测量出SPI控制时序图。

图3.1  STM32F103实验箱

实验原理：

DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加 31 字节静态 RAM，采用 SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和 RAM 数据。实时时钟可提供秒、分、时、星期、日、月和年，一个月小与 31 天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达 2.5~5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302 的外部引脚分配如下图所示。DS1302 用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。

图3.2  DS1302引脚图

四、实验步骤

1. 建立工程，新建文件夹命名为“基于SPI的DS1302实时时钟显示实验”，核心处理器芯片是 STM32F103ZC。
2. 添加库文件，在工程文件夹中新建 4 个文件夹为 CORE、OBJ、STM32F10X_FELIB，SYSTEM，并在官方固件库包中相关的库包复制进去。

    

   图4.1  工程目录浏览

3. 配置工程。

4. 编写相关程序。

5. 编译程序，如果有报错，逐错修改直至没有错误。
6. 在线下载调试，代码烧写完成后按下复位键(RESET)，可以看到数码管从初始化好的时钟时间，精确到秒显示（初始化时间为2023年5月1日19点59分49秒，星期一）：

 

图4.4  实验现象数码管显示时钟(21时12分05秒)

        7.利用示波器测量波形，测量出SPI控制时序图。

 

图4.5  试验箱DS1302@SPI

                a.时钟数据的读写地址

图4.2  时钟数据的读写地址

如上图，为DS1302芯片的时钟数据的读和写的地址，也就是说要实现对芯片控制，就是往这些地址上写入或读出数据。其中:

读地址为0x81（秒）, 0x83（分）, 0x85（时）, 0x87（日）, 0x89（月）, 0x8b（星期）, 0x8d（年）；

写地址为0x80（秒）, 0x82（分）, 0x84（时）, 0x86（日）, 0x88（月）, 0x8a（星期）, 0x8c（年）。

DS1302控制软件最基本的操作为写函数和读函数，其次就是实现初始化函数

读写时序

图 单字节读操作时序图   图  单字节写操作时序图

 ds1302.c关键代码段1：读取一个地址的数据

// 从ds1302的内部寄存器addr读出一个值，作为返回值
u8 DS1302_Read_Byte(u8 addr)
{u8 i,temp;DS1302_RST = 0;         //停止DS1302总线delay_us(10);DS1302_RST = 1;         //启动DS1302总线                        addr = addr | 0x01;    //读数据DS1302_IO_OUT();  for(i = 0; i < 8; i ++)  //写地址{if (addr & 0x01)          // 从低位开始传输的DS1302_DATA_OUT = 1;elseDS1302_DATA_OUT = 0;		DS1302_SCK = 1;          delay_us(10);           DS1302_SCK = 0;          delay_us(10);addr = addr>>1;           // 把addr右移一位}DS1302_IO_IN();for (i = 0; i < 8; i ++) //读数据{temp = temp >> 1;if(DS1302_DATA_IN)   // 读出来的数值是低位在前的temp |= 0x80;elsetemp &= 0x7F;	DS1302_SCK = 1;delay_us(10);DS1302_SCK = 0; delay_us(10);}  DS1302_RST = 0;         // RST拉低意味着一个大周期的结束return temp;
}

ds1302.c关键代码段2：向DS1302命令（地址+数据）

//向DS1302写入一个字节数据
void DS1302_Write_Byte(u8 addr, u8 data)
{u8 i;DS1302_RST = 0;      //停止DS1302总线delay_us(10);DS1302_RST = 1;      //启动DS1302总线addr = addr & 0xFE;  DS1302_IO_OUT();//写地址addrfor(i = 0; i < 8; i ++)  {if (addr & 0x01)        // 从低位开始传输的DS1302_DATA_OUT = 1;elseDS1302_DATA_OUT = 0;		DS1302_SCK = 1;         // 制造上升沿delay_us(10); DS1302_SCK = 0;         // 把SCLK拉低delay_us(10); addr = addr>>1;         // 把addr右移一位}// 写数据datafor (i = 0; i < 8; i ++) {if(data & 0x01)         //SPI是从低位开始传输的DS1302_DATA_OUT = 1;elseDS1302_DATA_OUT = 0;DS1302_SCK = 1;          // 制造上升沿delay_us(10);            DS1302_SCK = 0;          delay_us(10); data = data>>1;          // 把addr右移一位}DS1302_RST = 0;             // RST拉低
}

ds1302.c关键代码段3：初始化时钟

//初始时间         20  23年 5月  1日  19点 59分49秒，星期1
u8 time_buf[8] = {0x20,0x23,0x05,0x01,0x11,0x08,0x56,0x01}; 

//向DS1302写入时间数据
void DS1302_Write_Time(void)
{DS1302_Write_Byte(ds1302_control_add, 0x00);      //关闭写保护
//  DS1302_Write_Byte(ds1302_sec_add, 0x80);          //暂停时钟//DS1302_Write_Byte(ds1302_charger_add, 0xA9);      //涓流充电DS1302_Write_Byte(ds1302_year_add,time_buf[1]);		//年 DS1302_Write_Byte(ds1302_month_add,time_buf[2]);	//月 DS1302_Write_Byte(ds1302_date_add,time_buf[3]);		//日 DS1302_Write_Byte(ds1302_hr_add,time_buf[4]);		  //时 DS1302_Write_Byte(ds1302_min_add,time_buf[5]);		//分DS1302_Write_Byte(ds1302_sec_add,time_buf[6]);		//秒DS1302_Write_Byte(ds1302_day_add,time_buf[7]);		//周 DS1302_Write_Byte(ds1302_control_add,0x80);		    //打开写保护 
}

 seg.c关键代码段：

void show(u8 pl)
{BitAction sum[8];u8 i;for(i=0;i<8;i++){if((data[pl]>>i)&0x01 == 0x1)	sum[i] = Bit_SET;else	sum[i] = Bit_RESET;}GPIO_WriteBit(GPIOG,GPIO_Pin_8,sum[7]);GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_6,sum[6]);GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_7,sum[5]);GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_8,sum[4]);GPIO_WriteBit(GPIOG,GPIO_Pin_4,sum[3]);GPIO_WriteBit(GPIOG,GPIO_Pin_5,sum[2]);GPIO_WriteBit(GPIOG,GPIO_Pin_6,sum[1]);GPIO_WriteBit(GPIOG,GPIO_Pin_7,sum[0]);
}

main.c关键代码

#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "12864.h"
#include "ds1302.h"
#include "seg.h"u8 time[15];int main(void)
{delay_init();	    	 //延时函数初始化	  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级DS1302_Init();delay_ms(10);DS1302_Write_Time();delay_ms(10);	Geg_GPIO_Configuration();while(1) {//DS1302_Get_Time(time);show(time[9]);//时GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9); GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_12);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_10);GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_11);delay_ms(1);show(time[10]);//时GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_13);GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9); GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_12);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_10);GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_11);delay_ms(1);show_x();//-GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_0);GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9); GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_12);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_10);GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_11);delay_ms(1);show(time[11]);//minGPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9); GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_12);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_10);GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_11);delay_ms(1);show(time[12]);//minGPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9); GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_12);GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_10);GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_11);delay_ms(1);show_x();//-GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9); GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_12);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_10);GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_11);delay_ms(1);show(time[13]);//sGPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9); GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_12);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_10);GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_11);delay_ms(1);show(time[14]);//sGPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_13);GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_0);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_9); GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_12);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_10);GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_11);delay_ms(1);}	
}

 由于篇幅原因，五、六、七见下篇

五、实验测试数据表格记录

六、实验数据分析及处理

七、实验结论与感悟