深入理解SPI协议，TFT显示屏实战

嵌入式crafter

于 2025-07-09 17:14:59 发布

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文章标签： STM32 嵌入式开发单片机物联网学习

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/MOS_JBET/article/details/149228809

1.硬件介绍

本期介绍一下智能家居项目中用到的TFT显示屏。此模块在项目中用于温湿度、光度、陀螺仪角度等数据的显示。

2.SPI协议

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速的、全双工、同步的串行通信协议，主要用于单片机与各种外设之间进行数据传输，下面为你详细介绍：

2.1.基本组成

SPI 通信通常由主设备（Master）和从设备（Slave）组成，一个主设备可以连接多个从设备。SPI 接口一般使用 4 根线进行通信：

时钟线（SCK，Serial Clock）

由主设备产生，用于同步主设备和从设备之间的数据传输，就像大家一起跟着节拍器打拍子一样，保证数据传输节奏一致。

主机输出 / 从机输入线（MOSI，Master Output, Slave Input）

主设备通过这条线向从设备发送数据。比如主设备是单片机，从设备是显示屏，单片机要给显示屏发送显示内容的数据，就通过 MOSI 线传输。

主机输入 / 从机输出线（MISO，Master Input, Slave Output）

从设备通过这条线向主设备发送数据。比如从设备是温度传感器，要把采集到的温度数据发送给主设备单片机，就经由 MISO 线。

从机选择线（SS，Slave Select，有的也叫 CS，Chip Select ）

由主设备控制，用来选择与哪个从设备进行通信。因为一个主设备可能连接多个从设备，当主设备要和某个从设备通讯时，就把对应从设备的 SS 线拉低，相当于告诉这个从设备 “该你干活啦” ，其他从设备的 SS 线保持高电平，处于非工作状态。

2.2.通信过程

选择从设备

主设备先将目标从设备的 SS 线拉低，选中要通信的从设备。比如主设备要和连接在 SPI 总线上的 Flash 存储芯片通讯，就把 Flash 芯片对应的 SS 线拉低。

时钟同步

主设备通过 SCK 线产生时钟信号，确定数据传输的节拍。数据在时钟信号的上升沿或者下降沿进行传输，具体是上升沿还是下降沿传输，由主设备和从设备事先约定好的 SPI 模式决定（SPI 有 4 种工作模式，主要区别在于时钟极性 CPOL 和时钟相位 CPHA 的不同组合）。

数据传输

在时钟信号的驱动下，主设备通过 MOSI 线发送数据给从设备，从设备通过 MISO 线发送数据给主设备，两者的数据传输是同时进行的，这就是全双工的体现。

比如主设备给从设备发送一个控制指令，同时从设备把自己的状态数据反馈给主设备。数据通常以字节（8 位）为单位进行传输，主设备和从设备在每一个时钟周期内，各自发送和接收 1 位数据，经过 8 个时钟周期完成一个字节的传输（数据传输可以高位先行MSB或者低位先行LSB）。

结束通信

主设备将从设备的 SS 线拉高，结束与该从设备的通信。此时，从设备进入等待状态，直到下一次被主设备选中。

2.3.CPOL 和 CPHA 的作用

SPI 通信中，主从设备通过时钟线（SCL） 同步数据传输，而CPOL 和 CPHA 共同决定了：

时钟线在空闲时的电平（CPOL）；
数据在时钟的哪个边沿被采样（CPHA）。

两者组合形成 SPI 的 4 种工作模式（模式 0~3），理解这两个参数是掌握 SPI 工作模式的基础。

2.3.1.CPOL（时钟极性）：定义时钟线的空闲电平

定义：当 SPI 没有数据传输（空闲状态）时，时钟线（SCL）的电平状态。
- 若空闲时 SCL 为高电平，则 CPOL=1；
- 若空闲时 SCL 为低电平，则 CPOL=0。
举例：比如一个 SPI 设备设定 CPOL=1，那么在不传输数据时，SCL 线一直保持高电平，直到开始传输时才会跳变。

2.3.2.CPHA（时钟相位）：定义数据的采样时刻

核心：数据在时钟的 “第几个边沿” 被采样（采集），分为两种情况：

CPHA=0：在 “第 1 个边沿”（奇数边沿）采样

时钟从 “空闲状态” 开始跳变的第一个边沿（上升沿或下降沿）就是采样时刻。
边沿极性由 CPOL 决定：
- 若 CPOL=0（空闲低电平），第一个边沿是上升沿（低→高），此时采样；
- 若 CPOL=1（空闲高电平），第一个边沿是下降沿（高→低），此时采样。

CPHA=1：在 “第 2 个边沿”（偶数边沿）采样

数据采样发生在时钟的第二个边沿（即偶数次跳变），此时的边沿极性与 CPHA=0 相反：
- 若 CPOL=0（空闲低电平）：第一个边沿是上升沿（低→高，奇数），第二个边沿是下降沿（高→低，偶数），此时采样；
- 若 CPOL=1（空闲高电平）：第一个边沿是下降沿（高→低，奇数），第二个边沿是上升沿（低→高，偶数），此时采样。

2.4.SPI的4种工作模式

参数组合	空闲电平（CPOL）	采样边沿（CPHA）	对应的边沿极性示例
CPOL=0, CPHA=0	低电平	第 1 个边沿（上升沿）	低→高时采样
CPOL=0, CPHA=1	低电平	第 2 个边沿（下降沿）	高→低时采样
CPOL=1, CPHA=0	高电平	第 1 个边沿（下降沿）	高→低时采样
CPOL=1, CPHA=1	高电平	第 2 个边沿（上升沿）	低→高时采样

CPHA=0时，CPOL=1与CPOL=0时的时序

CPHA=1时，CPOL=1与CPOL=0时的时序

3.软件设计

我们通过GPIO模拟SPI协议来对显示屏进行控制。

3.1.STM32Cubemx配置

SDA对应MOSI，DC引脚用于切换命令或者数据模式（0/1），SCK引脚为时钟引脚，CS引脚片选引脚，RES为复位引脚，都配置为推挽输出即可。

3.2.SPI驱动代码实现

3.2.1.SPI写一个字节

这段代码实现的是SPI 模式 0（CPOL=0, CPHA=0），是显示屏控制中最常见的模式之一。数据传输为MSB高位先行。

void LCD_Writ_Bus(char dat)   //串行数据写入
{	
    u8 i;			  
    
    for(i=0;i<8;i++)
    {			  
        OLED_SCLK_Clr();
        if(dat&0x80)
            OLED_SDIN_Set();
        else 
            OLED_SDIN_Clr();
        OLED_SCLK_Set();
        dat<<=1;   
    }			
}

3.2.2.写寄存器

DC引脚低电平，代表写寄存器。

void LCD_WR_REG(char da)	 
{	
    OLED_CS_Clr();
    OLED_DC_Clr();
    LCD_Writ_Bus(da);
    OLED_CS_Set();
}

3.2.3.写数据

DC引脚高电平，代表写数据。

void LCD_WR_DATA8(char da) //发送数据-8位参数
{	
    OLED_CS_Clr();
    OLED_DC_Set();
    LCD_Writ_Bus(da);  
    OLED_CS_Set();
}

3.2.4.显示屏初始化

void Lcd_Init(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, TFT_DC_Pin|TFT_SCK_Pin|TFT_RES_Pin
                          |TFT_SDA_Pin, GPIO_PIN_SET);
    OLED_RST_Clr();
    delay_ms(20);
    OLED_RST_Set();
    delay_ms(20);
    OLED_BLK_Set();
    //************* Start Initial Sequence **********// 
    LCD_WR_REG(0x36); 
    LCD_WR_DATA8(0x00);
    
    LCD_WR_REG(0x3A); 
    LCD_WR_DATA8(0x05);
    
    LCD_WR_REG(0xB2);
    LCD_WR_DATA8(0x0C);
    LCD_WR_DATA8(0x0C);
    LCD_WR_DATA8(0x00);
    LCD_WR_DATA8(0x33);
    LCD_WR_DATA8(0x33);
    
    LCD_WR_REG(0xB7); 
    LCD_WR_DATA8(0x35);  
    
    LCD_WR_REG(0xBB);
    LCD_WR_DATA8(0x19);
    
    LCD_WR_REG(0xC0);
    LCD_WR_DATA8(0x2C);
    
    LCD_WR_REG(0xC2);
    LCD_WR_DATA8(0x01);
    
    LCD_WR_REG(0xC3);
    LCD_WR_DATA8(0x12);   
    
    LCD_WR_REG(0xC4);
    LCD_WR_DATA8(0x20);  
    
    LCD_WR_REG(0xC6); 
    LCD_WR_DATA8(0x0F);    
    
    LCD_WR_REG(0xD0); 
    LCD_WR_DATA8(0xA4);
    LCD_WR_DATA8(0xA1);
    
    LCD_WR_REG(0xE0);
    LCD_WR_DATA8(0xD0);
    LCD_WR_DATA8(0x04);
    LCD_WR_DATA8(0x0D);
    LCD_WR_DATA8(0x11);
    LCD_WR_DATA8(0x13);
    LCD_WR_DATA8(0x2B);
    LCD_WR_DATA8(0x3F);
    LCD_WR_DATA8(0x54);
    LCD_WR_DATA8(0x4C);
    LCD_WR_DATA8(0x18);
    LCD_WR_DATA8(0x0D);
    LCD_WR_DATA8(0x0B);
    LCD_WR_DATA8(0x1F);
    LCD_WR_DATA8(0x23);
    
    LCD_WR_REG(0xE1);
    LCD_WR_DATA8(0xD0);
    LCD_WR_DATA8(0x04);
    LCD_WR_DATA8(0x0C);
    LCD_WR_DATA8(0x11);
    LCD_WR_DATA8(0x13);
    LCD_WR_DATA8(0x2C);
    LCD_WR_DATA8(0x3F);
    LCD_WR_DATA8(0x44);
    LCD_WR_DATA8(0x51);
    LCD_WR_DATA8(0x2F);
    LCD_WR_DATA8(0x1F);
    LCD_WR_DATA8(0x1F);
    LCD_WR_DATA8(0x20);
    LCD_WR_DATA8(0x23);
    
    LCD_WR_REG(0x21); 
    
    LCD_WR_REG(0x11);
    
    LCD_WR_REG(0x29); 
    
    LCD_Clear(WHITE);
}

3.2.5.main函数

int main()
{
    Lcd_Init();
    
    LCD_Clear(WHITE); //清屏
    BACK_COLOR=WHITE;
    POINT_COLOR=BLACK; 
    Set_Myhanzi(70, 10, "chuanganqi");
    Set_Myhanzi(20, 55, "guangdu");
    Set_Myhanzi(20, 105, "wendu");
    Set_Myhanzi(20, 155, "shidu");
    
    while(1){}
}