射频模组应用之LoRa SPI调试

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      经常有遇到客户在应用LoRa模组时，SPI调试不通或者有些关于SPI的疑问，下面整理了些关于SPI的相关知识及对LoRa SPI模组的SPI调试进行了简单说明，希望可以帮到一些对LoRa应用不是很熟悉，又需要快速开发的用户。

1.SPI简介

      SPI 是英语 Serial Peripheral interface 的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是 Motorola首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。 SPI 接口主要应用在 EEPROM， FLASH，实时时钟， AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。 SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为 PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，LoRa模组采用的也是 SPI 接口。 下面我们看看 SPI 的内部简明图 ：

图一 SPI简

SPI 接口一般使用 4 条线通信：
MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。
MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。
SCLK 时钟信号，由主设备产生。
CS 从设备片选信号，由主设备控制。

      其中，CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），才能完成8位数据的传输。

      SPI 总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI 主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。 SPI的时钟相位(CPHA)和时钟极性(CPOL)分别可以为0或1，对应组合构成了SPI的4种模式：

Mode 0:CPOL=0, CPHA=0 ；  空闲时低电平，第一个跳变沿数据被采样

Mode 1:CPOL=0, CPHA=1；  空闲时低电平，第二个跳变沿数据被采样

Mode 2:CPOL=1, CPHA=0 ；  空闲时高电平，第一个跳变沿数据被采样

Mode 3:CPOL=1, CPHA=1。  空闲时高电平，第二个跳变沿数据被采样

2.LoRa模块的SPI

      LoRa模块SPI接口通过与Motorola/Freescale术语中的CPOL=0和CPHA=0相对应的同步全双工协议来访问配置寄存器。只实现从机端。

LoRa模块提供了三种对寄存器的访问模式：

单次(SINGLE)访问：一个地址字节后面跟着一个数据字节被发送用于写访问，而一个地址字节被发送并且一个读字节被接收用于读访问。NSS引脚在帧开始时变低，在数据字节之后变高。

突发(BURST)访问：地址字节后面跟着几个数据字节。地址在内部自动递增在每个数据字节之间。此模式可用于读和写访问。NSS引脚在帧的开始，并在每个字节之间保持低位。只有在最后一次字节传输之后，它才会变高。

FIFO访问：如果地址字节对应于FIFO的地址，那么后续的数据字节将处理FIFO。地址不会自动递增，而是被存储，并且不需要在每个数据字节之间发送。NSS管脚在帧开始时变低，在每个字节之间保持低位。只有在最后一次字节传输之后，它才会变高

下图显示了LoRa模块对寄存器的典型SPI单次访问：

图二 LoRa模块对寄存器的典型SPI单次访问

      MOSI由SCK的下降沿的主电路产生，并由SCK的上升沿的从电路（即SPI接口）采样。MISO是由SCK下降沿的从机生成的。传输总是由NSS管脚变低开始。当NSS较高时，MISO是高阻抗的。

第一个字节是地址字节。它包括：

      一个wnr位，用于写访问为1，用于读访问为0；

      然后7位地址，MSB优先；

      第二个字节是数据字节，在写访问的情况下由主机通过MOSI发送，在读访问的情况下由主机通过MISO接收。数据字节首先由MSB发送。

      处理字节可以在MOSI（用于写访问）上发送，或者在MISO（用于读访问）上接收，而无需上升的NSS边缘并重新发送地址。

      在FIFO模式下，如果地址是FIFO地址，那么字节将在FIFO地址被写入/读取。在Burst模式下，如果地址不是FIFO地址，那么对于接收到的每个新字节，它自动递增。

      当NSS变高时，帧结束。下一帧必须以地址字节开始。因此，单次访问模式是FIFO/BURST模式的特殊情况，只传输了一个数据字节。

3.实战应用

（1）MCU资源确认，正确连接电路

      结合MCU资源，确认下来是使用硬件上的SPI还是需要通过软件模拟来实现。电路连接参考如下：

图三 LoRa模组连接参考电路图

（2）确定LoRa的SPI工作模式

      LoRa作为一个从机，其时钟相位和极性分别为CPOL=0, CPHA=0，即空闲时为低电平，第一个跳变沿数据被采样。

（3）下面分别介绍LoRa的SPI单次访问寄存器的软件模拟实现方式和硬件实现方式

LoRa的SPI单次访问寄存器的软件实现：

      1、通过软件模拟，我们需先分配好各IO的方向及开始电平；因为CPOL=0, CPHA=0 ，即时钟空闲时为低电平，第一个跳变沿数据被采样(即在这里就为上升沿采样)，且传输是由NSS管脚变低开始，当NSS较高时，MISO是高阻抗的。所以配置应该为：MOSI需要配置成输出高、MISO需要配置成输入、SCK需要配置成输出低、NSS需要配置成输出高；如下代码实现：

1. void SX1276SPISetup(void)
   
2. {
   
3.     LSD_SPI_SIMO_PORT_SEL=0 ;
   
4.     LSD_SPI_SIMO_PORT_DIR=1 ;
   
5.     LSD_SPI_SIMO_PORT_OUT=1;
   
6.    
   
7.     LSD_SPI_SCK_PORT_SEL=0;  
   
8.     LSD_SPI_SCK_PORT_DIR=1;  
   
9.     LSD_SPI_SCK_PORT_OUT=0;  
   
10.    
    
11.     LSD_SPI_SOMI_PORT_SEL=0;
    
12.     LSD_SPI_SOMI_PORT_DIR=0;
    
13.     LSD_SPI_SOMI_PORT_OUT=0;
    
14.    
    
15.     LSD_SPI_NSS_PORT_SEL=0 ;
    
16.     LSD_SPI_NSS_PORT_DIR=1;  
    
17.     LSD_SPI_NSS_PORT_OUT=1;  
    
18.     return;
    
19. }
    

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2、接下来是根据时钟相位和极性来模拟SPI数据存取；

实现代码如下：

1. static unsigned char LSD_RF_SpiInOut (unsigned char mosi)
   
2. {
   
3.     unsigned char i;
   
4.     unsigned char onebyte;
   
5.     onebyte = mosi;
   
6.     for(i = 8; i > 0; i--)
   
7.     {
   
8.        __no_operation();
   
9.         if(onebyte & 0x80)
   
10.         {
    
11.             LSD_SPI_SIMO_OUT(1);
    
12.         }
    
13.         else
    
14.         {
    
15.             LSD_SPI_SIMO_OUT(0);
    
16.         }
    
17. 
    
18.         __no_operation();
    
19.         LSD_SPI_SCK_OUT(1);
    
20.         onebyte <<= 1;      // next bit
    
21.         if(LSD_SPI_SOMI_IN())
    
22.         {
    
23.             onebyte++;      // 1 found on MISO
    
24.         }
    
25.         __no_operation();
    
26.         LSD_SPI_SCK_OUT(0);
    
27.     }
    
28.     return onebyte;         // mosi now becomes the value of miso
    
29. }

复制代码

      LoRa的SPI单次访问寄存器的硬件实现：

1）先配置好SPI相关IO方向及电平，主要是MISO、MOSI、SCK、NSS引脚

实现代码如下(STM32)：

1. <p>void SX127X_SPIGPIO_Init()
   
2. {
   
3.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
   
4.     /* Configure the SX126X_NSS pin */
   
5.     GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15;
   
6.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
   
7.     GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
   
8.     GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FAST;
   
9.     HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
   
10. 
    
11.     /* SPI SCK GPIO pin configuration  */
    
12.     GPIO_InitStruct.Pin       = GPIO_PIN_10;
    
13.     GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_AF_PP;
    
14.     GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLUP;
    
15.     GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FAST;
    
16.     GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_SPI3;
    
17.     HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
    
18. 
    
19.     /* SPI MISO GPIO pin configuration  */
    
20.     GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_11;
    
21.     GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_SPI3;
    
22.     HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
    
23.     /* SPI MoSi GPIO pin configuration  */
    
24.     GPIO_InitStruct.Pin       = GPIO_PIN_12;
    
25.     GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_AF_PP;
    
26.     GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLUP;
    
27.     GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FAST;
    
28.     GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF6_SPI3;
    
29.     HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
    
30. }</p>

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2）根据MCU及LoRa的SPI工作模式配置好SPI功能

实现代码如下（STM32）：

1. void SX127X_SPI_Init()
   
2. {
   
3.     __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();//PORTAʱÖÓʹÄÜ
   
4.     __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();//PORTCʱÖÓʹÄÜ
   
5.     __HAL_RCC_SPI3_CLK_ENABLE();//SPI2ʱÖÓʹÄÜ
   
6.     SX127X_SPIGPIO_Init();
   
7. 
   
8.     SPI3_InitStruct.Instance = SPI3;
   
9.     SPI3_InitStruct.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;//SPI模式：主机模式
   
10. SPI3_InitStruct.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;//两线全双工
    
11. SPI3_InitStruct.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;//数据宽度：8位
    
12. SPI3_InitStruct.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; //´®ÐÐͬ²½×ÖʱÖÓ¿ØÖÆΪµÍËÙʱÖÓ
    
13.     SPI3_InitStruct.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;      //CPOL=0;CPHA=0 模式
    
14. SPI3_InitStruct.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;//NSS由软件控制
    
15. SPI3_InitStruct.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8;
    
16. SPI3_InitStruct.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;//数据从MSB开始
    
17. SPI3_InitStruct.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;//SPI Motorola mode
    
18.     SPI3_InitStruct.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    
19. SPI3_InitStruct.Init.CRCPolynomial = 7;
    
20. SPI3_InitStruct.Init.CRCLength = SPI_CRC_LENGTH_DATASIZE;
    
21.     SPI3_InitStruct.Init.NSSPMode = SPI_NSS_PULSE_DISABLE;
    
22. if (HAL_SPI_Init(&SPI3_InitStruct) != HAL_OK)
    
23.   {
    
24.           while(1);
    
25.   }
    
26.     __HAL_SPI_ENABLE(&SPI3_InitStruct);
    
27. }

复制代码

（4）LoRa 寄存器访问     

      如下向寄存器中写和读操作的函数代码，下面代码是从寄存器中读取数据的函数代码，从中可以看出，在操作之前，都将使能端NSS拉低了，并且需要主要写写地址时，最高位为1，读时为0，即SX127X_ReadWriteByte(addr | 0x80); 和 SX127X_ReadWriteByte(addr & 0x7F);

1. void SX127X_WriteBuffer( uint8_t addr, uint8_t *buffer, uint8_t size )
   
2. {
   
3.     uint8_t i;
   
4.     SX127X_NSS_OUTPUT(GPIO_PIN_RESET);
   
5.     SX127X_ReadWriteByte(addr | 0x80);
   
6.     for( i = 0; i < size; i++ )
   
7.     {
   
8.         SX127X_ReadWriteByte(buffer[i]);
   
9.     }
   
10.     SX127X_NSS_OUTPUT(GPIO_PIN_SET);
    
11. }

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1. void SX127X_ReadBuffer( uint8_t addr, uint8_t *buffer, uint8_t size )
   
2. {
   
3.     uint8_t i;
   
4.     SX127X_NSS_OUTPUT(GPIO_PIN_RESET);
   
5.     SX127X_ReadWriteByte(addr & 0x7F);
   
6.     for( i = 0; i < size; i++ )
   
7.     {
   
8.         buffer[i] = SX127X_ReadWriteByte(0x00);
   
9.     }
   
10. 
    
11.     SX127X_NSS_OUTPUT(GPIO_PIN_SET);
    
12. }
    

复制代码

      为了验证SPI是否通过或者，避免MCU异常不工作，代码中会去选用LoRa的一个在应用中没用到的寄存器去验证SPI，如下，选用0x24寄存器去读写0x91进行验证；

1. //SPI 验证
   
2.     uint8_t test = 0;
   
3.     SX127X_Write( REG_LR_HOPPERIOD, 0x91 );
   
4.     SX127X_Read( REG_LR_HOPPERIOD, &test);
   
5.     if(test != 0x91)
   
6.         return SPI_READCHECK_WRONG;

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图四和图五是用逻辑分析仪抓取出来的实验结果。图四是向地址为0x24的寄存器中写入数据0x91的过程，可以看到，写入地址为0x80|0x24,MOSI输出数据0xX91；图五是从地址为0x24的寄存器中读取数据的过程，读取数据也是0x91，读取数据与写入数据相同，实验成功。

图四

图五

最后附上LoRa模组开发资料及例程代码

开发资料：LoRa无线模组 LSD4RF-2F717N30 开发资料

例程代码：LoRa芯片 SX127x 参考例程