代码收藏家技术教程 2025-02-26

STM32 SPI通信详解：从原理到实战代码

一、SPI通信基础

1.1 什么是SPI？

SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola提出的全双工同步串行通信协议，广泛用于微控制器与外围设备（Flash、传感器、显示屏等）的高速数据传输。

核心特性：

全双工通信（同时收发）

最高时钟频率可达数十MHz

主从架构（一主多从）

硬件连接简单（4线制）

1.2 SPI物理接口

信号线	全称	作用
SCK	Serial Clock	同步时钟（由主机产生）
MOSI	Master Out Slave In	主机发送，从机接收
MISO	Master In Slave Out	主机接收，从机发送
NSS	Slave Select	从机片选（低电平有效）

二、SPI工作原理及时序

2.1 四种工作模式

由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）组合决定：

模式	CPOL	CPHA	特性
0	0	0	时钟空闲低电平，第一个边沿采样
1	0	1	时钟空闲低电平，第二个边沿采样
2	1	0	时钟空闲高电平，第一个边沿采样
3	1	1	时钟空闲高电平，第二个边沿采样

关键点：

CPOL=0：SCK空闲时为低电平

CPOL=1：SCK空闲时为高电平

CPHA=0：在SCK第一个边沿（奇数边沿）采样数据

CPHA=1：在SCK第二个边沿（偶数边沿）采样数据

2.2 典型时序分析（模式0）

以主机发送0xAA（10101010）为例：

NSS拉低：选中从机
SCK产生脉冲：CPOL=0，空闲低电平
数据采样：
MOSI在SCK上升沿改变数据
从机在SCK下降沿采样数据
数据传输：高位（MSB）先发

三、STM32 SPI外设配置

3.1 硬件设计

以STM32F103C8T6与W25Q64 Flash芯片通信为例：

SCK -> PA5

MOSI -> PA7

MISO -> PA6

NSS -> PA4（软件控制）

3.2 CubeMX配置步骤

启用SPI1（模式选择为全双工主模式）
配置参数：
时钟分频（PCLK2为72MHz时，分频256得281.25kHz）
数据宽度：8位
模式选择：Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）
NSS选择：软件模式
生成代码

3.3 关键代码解析

初始化代码

SPI_HandleTypeDef hspi1;

void SPI1_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    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_SOFT;
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

数据收发函数

// 发送单字节并接收返回
uint8_t SPI_TransmitReceive(uint8_t data)
{
    uint8_t rx_data;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &data, &rx_data, 1, 100);
    return rx_data;
}

// 读取Flash芯片ID（以W25Q64为例）
uint16_t W25Q_ReadID(void)
{
    uint8_t cmd = 0x9F; // JEDEC ID命令
    uint8_t id[3];
    
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); // 拉低NSS
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, 100);
    HAL_SPI_Receive(&hspi1, id, 3, 100);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET); // 释放NSS
    
    return (id[1] << 8) | id[2]; // 返回厂商ID和设备ID
}

四、调试技巧与常见问题

4.1 示波器诊断

检测SCK波形：确认频率和极性是否符合预期

观察MOSI/MISO：验证数据发送是否正确

检查NSS信号：确保片选信号正常拉低

4.2 常见问题排查

无数据通信：
检查硬件连接是否短路/断路
验证SPI模式（主/从）设置是否正确
确认NSS信号是否有效
数据错位：
检查MSB/LSB设置
确认时钟相位设置是否匹配从机要求
通信速率问题：
降低波特率测试
检查电源稳定性

五、进阶应用：DMA+SPI

5.1 使用DMA提升效率

// 启用DMA传输
void SPI_DMA_Transmit(uint8_t *pData, uint16_t Size)
{
    HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, pData, Size);
    while (hspi1.State != HAL_SPI_STATE_READY); // 等待传输完成
}

// 接收数据
void SPI_DMA_Receive(uint8_t *pData, uint16_t Size)
{
    HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, pData, Size);
    while (hspi1.State != HAL_SPI_STATE_READY);
}