SPI模块

2025-02-26

SPI模块介绍。

SPI协议详解与STM32配置指南

1. SPI协议基础

SPI（Serial Peripheral Interface） 是一种同步、全双工的串行通信协议，常用于微控制器与外围设备（如传感器、存储器、显示屏等）之间的高速数据传输。

2. SPI vs UART 核心区别

特性	SPI	UART
通信方式	同步（需时钟信号）	异步（无需时钟）
全双工	支持同时发送和接收	通常半双工
信号线	4根（SCK, MOSI, MISO, CS）	2根（TX, RX）
拓扑结构	主从结构，一主多从	点对点
速度	高速（可达数十MHz）	较低速（通常<1Mbps）

3. SPI硬件连接与信号线

SCK（Serial Clock）：主设备输出的时钟信号，同步数据传输。
MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据到从设备的线路。
MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据到主设备的线路。
CS/SS（Chip Select）：主设备控制从设备片选的信号（低电平有效）。

SPI连接示意图

4. SPI关键配置参数

4.1 时钟极性（CPOL）与相位（CPHA）

CPOL（Clock Polarity）：决定SCK空闲时的电平。
- CPOL=0：空闲时SCK为低电平。
- CPOL=1：空闲时SCK为高电平。
CPHA（Clock Phase）：决定数据采样的时刻。
- CPHA=0：数据在SCK的第一个边沿（上升或下降）采样。
- CPHA=1：数据在SCK的第二个边沿采样。

四种模式组合：

模式	CPOL	CPHA	数据采样边沿
0	0	0	SCK上升沿采样
1	0	1	SCK下降沿采样
2	1	0	SCK下降沿采样
3	1	1	SCK上升沿采样

SPI模式时序图

4.2 数据帧格式

数据位长度：通常为8位或16位，STM32支持4-16位可配置。
传输顺序：MSB（高位在前）或LSB（低位在前）。

4.3 传输模式

主模式（Master）：生成SCK时钟，控制数据传输。
从模式（Slave）：响应主设备的SCK，被动传输数据。

5. STM32 SPI寄存器详解

以STM32F103为例，关键寄存器如下：

5.1 SPI控制寄存器1（SPI_CR1）

位域	功能
DFF	数据帧格式：0=8位，1=16位
LSBFIRST	传输顺序：0=MSB，1=LSB
MSTR	主从模式：1=主模式，0=从模式
CPOL	时钟极性
CPHA	时钟相位
BR[2:0]	波特率分频系数（见下表）
SPE	SPI使能：1=启用

波特率分频系数（BR[2:0]）：

BR值	分频系数	波特率（假设APB2=72MHz）
000	2	36 MHz
001	4	18 MHz
010	8	9 MHz
011	16	4.5 MHz
100	32	2.25 MHz
101	64	1.125 MHz
110	128	562.5 kHz
111	256	281.25 kHz

5.2 SPI控制寄存器2（SPI_CR2）

位域	功能
SSOE	从设备选择输出使能（主模式）
TXEIE	发送缓冲区空中断使能
RXNEIE	接收缓冲区非空中断使能

5.3 SPI状态寄存器（SPI_SR）

位域	功能
RXNE	接收缓冲区非空（数据可读）
TXE	发送缓冲区空（可写入新数据）
BSY	总线忙标志（传输中）

5.4 SPI数据寄存器（SPI_DR）

写入数据时启动发送，读取时获取接收数据。

6. STM32 SPI配置步骤（主模式示例）

目标：配置SPI1为主模式，CPOL=0，CPHA=0，8位数据，波特率18MHz（APB2=72MHz）。

1. 使能时钟：

1	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

2. 配置GPIO（以PA5=SCK, PA7=MOSI, PA6=MISO）：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  // 复用推挽输出
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

3. 配置SPI_CR1：

SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;  // 软件控制片选
SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; // 72MHz/4=18MHz
SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);

4. 使能SPI：

1	SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

7. SPI数据传输流程（轮询方式）

// 拉低片选信号（假设CS引脚为PA4）
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);

// 发送数据
uint8_t tx_data = 0x55;
SPI_I2S_SendData(SPI1, tx_data);

// 等待发送完成
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);

// 等待接收数据
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
uint8_t rx_data = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

// 拉高片选信号
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);

8. 验证SPI配置的关键点

1. 信号测量：

使用逻辑分析仪或示波器检查SCK、MOSI、MISO波形。
确认SCK频率是否符合预期（如18MHz）。
检查CPOL和CPHA是否与从设备匹配。

2. 回环测试：

将MOSI与MISO短接，发送数据并验证接收是否一致。

3. 错误处理：

监控SPI_SR中的错误标志（如OVR溢出错误）。

9. 常见问题与解决

问题：SPI无输出信号。
解决：检查SPI是否使能（SPE=1），GPIO是否配置为复用模式。
问题：数据错位或错误。
解决：确认CPOL/CPHA设置，检查时钟分频和数据位顺序。
问题：从设备无响应。
解决：验证片选信号（CS）是否有效，硬件连接是否正常。

本文作者： ICXNM-ZLin
本文链接： https://talent-tudou.github.io/2025/02/26/外设/SPI模块/
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