STM32 SPI基礎內容

SPI，全稱為 Serial Peripheral Interface（串行外設接口），是一種用于短距離通信的同步串行通信接口，主要應用在嵌入式系統。

SPI的應用場合很廣，顯示模組、時鐘芯片、存儲芯片、溫度傳感器等眾多器件都有使用SPI接口通信。

這些器件通常作為從設備，單片機作為主設備來控制它們，今天就結合STM32來分析一下SPI常見通信有異常的問題。

STM32 SPI基礎內容

絕大部分STM32芯片都有多個SPI外設，它可與外部SPI器件進行半雙工/全雙工同步串行通信。 1. SPI特性

三條線全雙工、雙線單工同步傳輸

支持 8 位或 16 位傳輸幀格式選擇

支持主模式或從模式操作

可編程的時鐘極性和相位

支持 MSB 或 LSB 數據順序

支持DMA收發數據

更多特性請查閱《STM32參考手冊》。

2. 引腳描述

MISO：主輸入/從輸出數據；

MOSI：主輸出/從輸入數據；

SCK：時鐘（主輸出，從輸入時鐘）；

NSS：從器件選擇，可理解片選信號；

3. SPI時序

SPI的時序中有兩個參數需要注意，那就是時鐘相位和時鐘極性。在STM32中，SPI時序由CPOL 和 CPHA 這兩位來決定。

通過軟件配置這兩個參數，可分為四種時序關系，如下圖：

4. 數據幀格式

串行同行數據傳輸分為 MSB 和 LSB，也就是最高有效位在前，還是最低有效位在前。（注：最左邊的比特位即為最高有效位）。

比如傳輸一個字節：0x95（1001 0101）。

如果按照MSB（高位在前），則發送順序：1001 0101。

如果按照LSB（低位在前），則發送順序反過來：1010 1001。

STM32 SPI參數配置

通常STM32的SPI作為主機連接外部從機，要與從機建立正常通信，就必須與從機的參數匹配才行。

這里以【STM32作為SPI主機讀寫SPI Flash】為例，主要配置參數：雙向全雙工、主機模式、8位數據、MSB等。

1. 標準外設庫配置

SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;


SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //雙向全雙工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                      //主機模式
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                  //8位數據
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;                        //時鐘極性：空閑為高
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;                       //時鐘相位：第2個時鐘沿捕獲
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                          //軟件控制NSS信號
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; //波特率預分頻值為4
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                 //數據傳輸從 MSB 位開始
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial=7;


SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);

2. STM32CubeMX配置

首先選擇全雙工主機模式，然后再逐步配置下面參數。這里的波特率時鐘灰色不可配置，由你系統時鐘和分頻時鐘決定。

這些配置參數比較容易理解（英文清晰明了），若不懂可針對性查閱參考手冊。

STM32 SPI常見問題

雖說SPI相對比較簡單，但在實際應用過程中還是會存在一些奇怪的問題，下面通過案例來分析SPI常見的一些問題。

問題一：NSS片選問題

有工程師使用硬件NSS控制從機，以為NSS信號是自動控制，導致操作從設備失敗。

分析原因：STM32 SPI的NSS信號為片選信號，可“使能”為硬件控制（參看上面參數配置）。

但在應用中同樣需要軟件操作才能控制NSS信號（高低），比如：

SPI_NSSInternalSoftwareConfig(SPI1, SPI_NSSInternalSoft_Set);

▲左右滑動，查看完整代碼

解決辦法：按照通信時序，控制NSS信號高低（通常低有效）。

問題二：SPI引腳復用功能問題

STM32的SPI是一種復用功能，之前使用標準外設庫的工程師容易遺漏復用功能的配置導致SPI不能使用。

分析原因：SPI有些引腳對應的是特殊功能的引腳，比如：PB3（MISO）對應的是 JTDO，如果不配置則默認這個引腳的功能就是 JTDO的功能。

以前經常存在這種問題，但現在通過工具STM32CubeMX配置時自動配置了復用功能。

解決辦法：參考官方提供在初始化代碼中配置復用功能（同時，推薦使用HAL庫）。

GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_SPI1);
GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_SPI1);

問題三：時鐘速率過高問題

有工程師購買一個通信為SPI的模塊，最高通信速率8MB/s，他使用10.5MB/s通信速率也能用，但偶爾會出現通信異常。

分析原因：一個芯片標稱的最高速率其實是相對保守的值，在條件比較好的情況下超過了最高值也能用，但不能保證穩定性。

STM32 SPI的時鐘頻率由系統時鐘和分頻決定，有的工程師沒有深入理解這些參數，發現能用就不管了。

如上章節中的21MB/s，如果修改系統時鐘，其實這個值會發生相應變化

解決辦法：最簡單的辦法就是修改分頻值。同時，如果環境惡劣，建議使用屏蔽線。（在保證整個產品系統實時性的同時，盡量降低通信速率）

問題四：時鐘相位問題

有不少工程師在調試SPI時會遇到數據“移位”的問題，數據能收發為什么會出現這種問題呢？

分析原因：SPI通信時鐘由主機提供，本身上電時（主從）各自的信號就不穩定，如果從機時鐘相位也不匹配，就會因為時鐘引起數據移位，或者異常的情況。

解決辦法：軟件上匹配SPI主從設備的時鐘相位，使用通信協議，CRC、 checksum校驗等。

- 審核編輯：彭菁