STM32的SPI技术介绍

2024-10-09 15:54:13

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是STM32微控制器中常用的高速同步串行通信协议之一。它广泛应用于与各种外设（如传感器、显示屏、存储器等）的数据交换。本文将详细介绍STM32的SPI技术，包括其基本概念、工作原理、配置方法及实际应用。

一、SPI简介

1.1 什么是SPI

SPI是一种全双工、同步的串行通信协议，由摩托罗拉公司（现为恩智浦半导体）开发。它主要用于微控制器与外围设备之间的短距离通信。SPI具有以下特点：

全双工通信：数据可以同时在两个方向传输。
高速度：支持较高的传输速率，适用于需要快速数据交换的应用。
简单的硬件接口：通常只需要四条信号线。
灵活性强：支持多主设备和多从设备配置。

1.2 SPI与其他接口的比较

与I2C和USART相比，SPI具有以下优势和劣势：

特性	SPI	I2C	USART
通信模式	全双工同步通信	半双工同步通信	全双工异步/同步通信
速度	较高（可达几十MHz）	较低（标准模式最高400 Kbps，快速模式最高3.4 Mbps）	中等（取决于配置，通常高于I2C）
硬件复杂度	简单，4根线	需要两根线，且有地址管理	简单，通常2根线
多设备支持	支持多个从设备，通过独立片选线（CS）实现	支持多个设备，通过地址区分	通常点对点连接
应用场景	高速数据传输，如显示屏、存储器	需要多设备连接且速度要求不高的场合	串口通信、调试、设备控制等

二、STM32的SPI外设

STM32系列微控制器集成了多个SPI外设，不同系列和型号的STM32可能支持不同数量的SPI接口。常见的STM32系列如F0、F1、F4、H7等，通常每个芯片包含多个SPI或SPIx外设（如SPI1、SPI2、SPI3等），以满足不同应用需求。

2.1 主要功能

STM32的SPI外设具有以下主要功能：

主从模式：支持主模式和从模式，允许配置多个主设备和从设备。
多种数据帧格式：支持8位、16位甚至更高位数的数据帧。
多种时钟极性和相位：支持不同的时钟配置，以适应不同设备的要求。
双线和四线模式：支持全双工和半双工通信。
硬件FIFO：部分型号的SPI外设内置FIFO缓冲，提高数据传输效率。
DMA支持：支持直接内存访问（DMA），减少CPU负担，提高传输效率。
中断支持：支持传输完成、中断请求等多种中断。

三、SPI的工作原理

3.1 基本通信过程

SPI通信涉及四条主要信号线：

SCK（Serial Clock，时钟线）：由主设备生成的时钟信号，用于同步数据传输。
MOSI（Master Out Slave In，主输出从输入）：主设备发送数据到从设备的线路。
MISO（Master In Slave Out，主输入从输出）：从设备发送数据到主设备的线路。
CS/SS（Chip Select/Slave Select，片选线）：主设备用来选择特定从设备的信号线，通常为低有效。

3.2 主从模式

主模式（Master Mode）：负责生成时钟信号（SCK）并控制片选线（CS）。一个SPI总线上只能有一个主设备。
从模式（Slave Mode）：响应主设备的时钟信号，不生成时钟。可以有多个从设备，通过独立的CS线选择。

3.3 数据传输方式

全双工：MOSI和MISO同时传输数据。
半双工：同一条数据线用于双向传输，但同一时间只能进行单向传输。

3.4 时钟极性和相位

SPI通信需要配置时钟的极性（CPOL）和相位（CPHA），以匹配不同设备的要求：

CPOL（Clock Polarity）：
- 0：空闲时钟为低电平。
- 1：空闲时钟为高电平。
CPHA（Clock Phase）：
- 0：数据在第一个时钟边沿采样。
- 1：数据在第二个时钟边沿采样。

根据CPOL和CPHA的不同组合，SPI共有四种模式（Mode 0~3）。

四、配置与使用

4.1 硬件连接

SPI引脚连接：
- SCK：连接主设备的SCK到从设备的SCK。
- MOSI：连接主设备的MOSI到从设备的MOSI。
- MISO：连接主设备的MISO到从设备的MISO。
- CS/SS：连接主设备的CS到从设备的CS。
电平匹配：
- 确保STM32和外设的工作电压一致，必要时使用电平转换器。
拉高电阻：
- 通常在CS线添加上拉电阻，确保未选中时CS线处于高电平。

4.2 软件配置

可以通过STM32的固件库（如STM32CubeMX、HAL库、LL库）进行SPI配置。以下以STM32CubeMX为例简要介绍配置步骤：

打开STM32CubeMX，创建新工程并选择目标STM32型号。
启用SPI外设：
- 在“Peripherals”中选择“SPIx”并启用（如SPI1）。
配置引脚：
- 自动或手动分配SCK、MOSI、MISO、CS等引脚，确保与硬件连接一致。
设置参数：
- Mode：选择主模式（Master）或从模式（Slave）。
- Data Size：通常为8位。
- Clock Polarity & Phase：根据设备要求选择合适的模式（Mode 0~3）。
- Baud Rate Prescaler：设置时钟分频系数，以控制SPI通信速率。
- NSS（片选）管理：软件管理或硬件管理。
- First Bit：MSB优先或LSB优先。
DMA和中断配置（可选）：
- 根据需求启用DMA传输或中断支持。
生成代码：
- 点击“Generate Code”生成初始化代码。

4.3 使用HAL库进行SPI通信

以下是一个使用HAL库进行SPI初始化和基本发送/接收的示例代码：

SPI初始化

/* SPI句柄 */
SPI_HandleTypeDef hspi1;

/* SPI1初始化函数 */
void MX_SPI1_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 主模式
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 全双工
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 8位数据
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // 时钟极性
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // 时钟相位
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件管理片选
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16; // 波特率分频
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; // MSB优先
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; // 禁用TI模式
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; // 禁用CRC
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; // CRC多项式（不使用时可忽略）

    if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
    {
        // 初始化错误处理
        Error_Handler();
    }
}

发送数据

uint8_t txData[] = "Hello, SPI!";
if (HAL_SPI_Transmit(&hspi1, txData, sizeof(txData)-1, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
{
    // 发送错误处理
    Error_Handler();
}

接收数据

uint8_t rxData[100];
if (HAL_SPI_Receive(&hspi1, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
{
    // 接收错误处理
    Error_Handler();
}

发送和接收数据（全双工）

uint8_t txData[] = "Send and Receive";
uint8_t rxData[20];
if (HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txData, rxData, sizeof(txData)-1, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
{
    // 传输错误处理
    Error_Handler();
}

4.4 使用中断进行SPI通信

启用中断：
- 在STM32CubeMX中启用SPI中断，并在NVIC中配置优先级。
实现中断回调：

void SPI1_IRQHandler(void)
{
    HAL_SPI_IRQHandler(&hspi1);
}

void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if (hspi->Instance == SPI1)
    {
        // 发送完成后的处理
    }
}

void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if (hspi->Instance == SPI1)
    {
        // 接收完成后的处理
    }
}

void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if (hspi->Instance == SPI1)
    {
        // 发送和接收完成后的处理
    }
}

启动中断传输：

/* 发送和接收数据，通过中断 */
if (HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, txData, rxData, sizeof(txData)-1) != HAL_OK)
{
    // 传输错误处理
    Error_Handler();
}

4.5 使用DMA进行SPI通信

启用DMA：
- 在STM32CubeMX中为SPI的Tx和Rx通道分别配置DMA，并启用相应的中断。
实现DMA回调：

void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if (hspi->Instance == SPI1)
    {
        // 发送完成后的处理
    }
}

void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if (hspi->Instance == SPI1)
    {
        // 接收完成后的处理
    }
}

void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if (hspi->Instance == SPI1)
    {
        // 发送和接收完成后的处理
    }
}

启动DMA传输：

/* 发送和接收数据，通过DMA */
if (HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, txData, rxData, sizeof(txData)-1) != HAL_OK)
{
    // 传输错误处理
    Error_Handler();
}

五、编程示例

以下是一个简单的SPI回显（Echo）示例，发送的数据会被从设备原样返回到主设备。假设STM32作为主设备，连接了一个从设备（如EEPROM或另一个STM32）。

主设备代码示例

#include "main.h"

SPI_HandleTypeDef hspi1;
uint8_t txData[] = "Hello, SPI!";
uint8_t rxData[20];

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_SPI1_Init();

    /* 启动传输 */
    if (HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txData, rxData, sizeof(txData)-1, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
    {
        // 传输错误处理
        Error_Handler();
    }

    while (1)
    {
        // 主循环中可以执行其他任务
    }
}

/* SPI1初始化函数 */
void MX_SPI1_Init(void)
{
    // 初始化代码同上
}

从设备代码示例

假设从设备也是STM32，配置为SPI从模式，并实现数据回显。

#include "main.h"

SPI_HandleTypeDef hspi1;
uint8_t rxData[20];
uint8_t txData[20];

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_SPI1_Init();

    /* 启动接收 */
    if (HAL_SPI_Receive(&hspi1, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
    {
        // 接收错误处理
        Error_Handler();
    }

    /* 回显发送 */
    if (HAL_SPI_Transmit(&hspi1, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
    {
        // 发送错误处理
        Error_Handler();
    }

    while (1)
    {
        // 从循环中可以执行其他任务
    }
}

/* SPI1初始化函数 */
void MX_SPI1_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_SLAVE; // 从模式
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_HARD_INPUT; // 硬件管理片选
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;

    if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
    {
        // 初始化错误处理
        Error_Handler();
    }
}

六、常见应用

传感器接口：与各种SPI接口的传感器（如加速度计、陀螺仪）通信，读取数据。
显示屏控制：驱动OLED、LCD等SPI接口的显示模块，显示图像或文字。
存储器访问：与SPI闪存、EEPROM等存储器进行数据读写。
通信模块：连接无线通信模块，如Wi-Fi、蓝牙模块，实现无线数据传输。
音频设备：控制SPI音频解码器，实现音频播放和录制。
扩展接口：通过SPI连接GPIO扩展器、LED驱动器等，实现更多功能。

七、相关注意事项

时钟配置：
- 确保主设备的SCK频率在从设备支持的范围内，避免通信失败。
片选管理：
- 确保CS线在通信期间保持低电平，通信结束后拉高。
- 多从设备时，使用独立的CS线避免冲突。
电平兼容：
- 不同设备的工作电压可能不同，如STM32通常使用3.3V逻辑电平，需根据外设需求调整。
信号完整性：
- 在高速传输时，注意信号线的布线和终端匹配，减少信号干扰和反射。
数据同步：
- 确保主从设备的时钟极性和相位配置一致。
错误处理：
- 实现错误检测和处理机制，如超时、数据校验等，提升通信的可靠性。
DMA和中断优先级：
- 合理配置DMA和中断优先级，避免优先级冲突导致的数据丢失或系统卡顿。

八、结论

STM32的SPI外设功能强大，配置灵活，适用于各种高速数据传输应用。通过合理的硬件连接和软件配置，开发者可以实现稳定、高效的SPI通信。掌握SPI的基本原理和使用方法，对于开发基于STM32的复杂外设接口和系统集成具有重要意义。

参考资料

STM32Cube HAL库参考手册
SPI协议详解
STM32官方开发指南

结束语

希望本文对您理解和使用STM32的SPI技术有所帮助。如有更多疑问或需要进一步的技术支持，欢迎查阅相关文档或咨询专业人士。

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