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STM32 SPI 基础

介绍​

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工的同步串行通信协议，广泛用于微控制器与外部设备（如传感器、存储器、显示器等）之间的通信。STM32 微控制器内置了 SPI 外设，支持多种配置选项，使其适用于各种应用场景。

SPI 通信通常涉及一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）。主设备通过时钟信号（SCK）控制通信的时序，并通过 MOSI（主出从入）和 MISO（主入从出）线进行数据传输。

SPI 的工作原理​

SPI 通信基于以下四根信号线：

  1. SCK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备生成，用于同步数据传输。
  2. MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据，从设备接收数据。
  3. MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据，主设备接收数据。
  4. NSS（Slave Select）：从设备选择信号，用于选择特定的从设备。

SPI 通信是全双工的，意味着主设备和从设备可以同时发送和接收数据。通信的时序由主设备控制，数据在时钟的上升沿或下降沿进行采样。

备注

SPI 的时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定了数据的采样时机。CPOL 决定了时钟的空闲状态，CPHA 决定了数据是在时钟的第一个边沿还是第二个边沿采样。

STM32 SPI 配置​

在 STM32 中，SPI 外设可以通过寄存器或 HAL 库进行配置。以下是一个使用 HAL 库配置 SPI 的示例：

c
#include "stm32f4xx_hal.h"

SPI_HandleTypeDef hspi;

void SPI_Init(void) {
    hspi.Instance = SPI1;
    hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
    hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
    hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
    hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    hspi.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi.Init.CRCPolynomial = 10;
    HAL_SPI_Init(&hspi);
}

在这个示例中，我们配置了 SPI1 为主设备，数据大小为 8 位，时钟极性为低，时钟相位为第一个边沿采样，NSS 信号由软件控制，波特率预分频为 256。

SPI 数据传输​

SPI 数据传输通常使用 HAL_SPI_TransmitReceive 函数进行。以下是一个简单的数据传输示例：

c
uint8_t txData[4] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t rxData[4];

HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, txData, rxData, 4, 1000);

在这个示例中，我们发送了 4 个字节的数据，并接收了 4 个字节的数据。HAL_SPI_TransmitReceive 函数会阻塞直到数据传输完成。

实际应用场景​

SPI 在许多实际应用中都有广泛的使用。例如，在物联网设备中，SPI 常用于连接传感器（如温度传感器、加速度计）和无线模块（如 Wi-Fi 或蓝牙模块）。以下是一个使用 SPI 读取温度传感器数据的示例：

c
uint8_t txData[2] = {0x00, 0x00}; // 读取温度的命令
uint8_t rxData[2];

HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, txData, rxData, 2, 1000);

int16_t temperature = (rxData[0] << 8) | rxData[1];

在这个示例中，我们发送了一个读取温度的命令，并接收了两个字节的温度数据。温度数据通常以二进制补码形式表示，需要进行适当的转换。

总结​

SPI 是一种高效、灵活的串行通信协议，适用于多种应用场景。通过 STM32 的 SPI 外设，我们可以轻松地实现与外部设备的通信。本文介绍了 SPI 的基本原理、配置方法以及实际应用场景，希望能帮助你更好地理解和应用 SPI。

附加资源与练习​

  • 练习 1：尝试配置 STM32 的 SPI 为从设备模式，并与另一个主设备进行通信。
  • 练习 2：使用 SPI 连接一个 SPI Flash 存储器，并尝试读取和写入数据。
  • 资源：参考 STM32 的参考手册和 HAL 库文档，了解更多关于 SPI 的配置选项和使用方法。
提示

在实际项目中，建议使用 DMA（直接内存访问）来优化 SPI 数据传输，以减少 CPU 的负载。