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一、SPI协议的原理与应用

• 基本概念

串行外设接口SPI（Serial Peripheral Interface）是由美国摩托罗拉公司最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行外设扩展接口。该接口是一种高速、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，为PCB的布局上节省空间。

• 应用场景

SPI接口主要应用在访问高速设备，如spi flash、2.4G无线传输、lcd设备显示、电阻屏触控IC等。

1. 2.4GHZ无线传输

1. LCD显示设备

1. 墨水屏设备

1. 串行Flash存储IC

1. RFID射频模块

• 内部结构

SPI接口采用主从结构，SPI由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI接口由MOSI（串行数据输出）、MISO（串行数据输入）、SCLK（串行移位时钟）、/SS（从设备使能信号，/SS亦可为NSS）四种信号构成。

• 工作模式

由于SPI接口采用同步通信，必须在SCK时钟线生成的脉冲信号期间完成数据的传输，对于SPI接口而言采用的是边沿同步的方式，所以就需要清楚时钟线SCK到底是哪个边沿进行同步。

MCU作为主机可以选择四种工作模式中的任何一种，但是选择工作模式的时候要以从机支持的模式为主，从机支持的工作模式必须要阅读从机的数据手册（大多数都是支持模式0）。

1. 串行Flash存储IC的原理与应用

• 基本概念

由于STM32F407ZET6这颗MCU内部只有512KB的Flash闪存容量，这512KB需要用于存储固件，剩余的空间可能不足以让用户使用了，所以需要额外的拓展存储IC，在GEC-M4开发板中集成了一颗串行Flash芯片，型号是W25Q128，容量是128Mbit，该存储IC采用SPI接口进行通信。

• 内存分布

W25Q128是容量为128Mbit的SPI接口NOR Flash的器件，内部是按照Page、Sector、Block的结构来划分的，一个Page为256个Byte，一个Sector为16个Page也就是4KB，一个Block为16个Sector也就是64KB。相较于EEPROM而言，SPI Flash的存储空间更大，存取速度更快，广泛应用于嵌入式系统中数据、代码的固化。

• 引脚说明

• 工作模式

• 指令分析

• 程序设计

1. 读取厂商/设备ID

1. 写使能

1. 读状态寄存器

1. 写失能

1. 擦除扇区

1. 读数据

1. 页编程

• 验证结果

• 时序模拟

如果想要提高程序的实时性以及程序的可移植性，则可以选择使用MCU的某些IO口生成SPI通信所需要的时序，从而摆脱硬件资源的限制。

用户只需要找到4个IO口作为SPI通信的SCK、MISO、MOSI、CS，可以设置SCK引脚为输出模式、MISO引脚为输入模式、MOSI引脚为输出模式、CS片选为输出模式即可。

作业：把模式3的时序设计出来，并进行测试，要求把IO口模拟模式0和模式3的函数背下来！

三、RFID射频模块的原理与应用

• 基本概念

RFID技术也简称为射频识别技术，是20世纪40年代开始出现的一种自动识别技术。RFID通过无线射频信号获取物体的相关数据，并对物体加以识别，RFID技术不需要和被识别物体进行直接接触就可以完成物体信息的处理，也不需要人工干预，可以实现无接触式信息传递，能应用在各种较为恶劣的环境中。所以说RFID技术是一种快速、高效的采集和处理物体信息的自动识别技术。

随着计算机和互联网的发展，物联网的概念也被提出，而物联网想要实现的是“万物互联”物联网的核心思想是为全球每一个物品提供唯一的电子标签，而RFID可以实现无接触式的信息传递达到识别物体的目的。所以RFID技术也是实现物联网的关键技术之一。

• 结构组成

RFID技术的实现离不开软件与硬件的支持，硬件一般包含应答器、天线和阅读器。软件一般包含数据管理系统。

电子标签也叫作应答器，一般是由集成电路芯片和内置天线组成的，芯片用来存储物体相关数据，内置天线用来收发无线电波。电子标签一般附着在物体上用来标识物体，每个标签具有唯一的电子编码。电子标签的种类有很多，比如低频标签、高频标签等，并且电子标签的样式也有多种，比如条型、卡片型、环型、纽扣型等。

而对于识读器而言，也称为阅读器或者读写器，是对电子标签信息读取和写入的设备。阅读器可以和计算机进行联网，作用一般是作为数据交换的媒介，阅读器一般由射频模块、控制模块和天线组成。也可以把阅读器理解为一个特殊的无线通信模块，它可以和电子标签通过天线进行无线通信。阅读器可以工作在一个或多个工作频段，也可以读写一种或多种电子标签，阅读器的种类有很多，比如手持式的、固定式的，使用起来非常方便。

• 识别原理

• 通信接口

本次使用的RFID模块采用的驱动IC型号是MFRC522，对于该芯片支持多种通信接口，比如支持UART、SPI、IIC.....，本次使用SPI接口进行通信。

• 工作模式

可以知道，MFRC522和MCU使用SPI接口通信的时候，采用的SPI工作模式是模式0，所以主机就需要使用模式0。

• 硬件接线

由于打算采用IO口模拟SPI时序的方案实现RFID模块的控制，所以从MCU中挑选4个引脚来作为SPI通信引脚。

• 程序移植

1. 获取源码

1. 分析源码

1. 拷贝文件

1. 添加文件

1. 修改源码

提示：一般移植传感器的程序时，只需要修改底层代码（和IO口相关的、和时序相关的），不需要修改应用层代码。

1. 编译源码

1. 下载源码

1. 查看效果

• 验证结果

作业：根据SPI的时序完成RFID模块的程序移植，并实现卡的选卡、读卡、写卡的相关功能。