单片机SPI通信异常分析

只看该作者 · 2023-8-22 15:26

SPI，全称为 Serial Peripheral Interface（串行外设接口），是一种用于短距离通信的同步串行通信接口，主要应用在嵌入式系统。

SPI的应用场合很广，显示模组、时钟芯片、存储芯片、温度传感器等众多器件都有使用SPI接口通信。

这些器件通常作为从设备，单片机作为主设备来控制它们，今天就结合STM32来分析一下SPI常见通信有异常的问题。

STM32 SPI基础内容

绝大部分STM32芯片都有多个SPI外设，它可与外部SPI器件进行半双工/全双工同步串行通信。
1. SPI特性

三条线全双工、双线单工同步传输
支持 8 位或 16 位传输帧格式选择
支持主模式或从模式操作
可编程的时钟极性和相位
支持 MSB 或 LSB 数据顺序
支持DMA收发数据

更多特性请查阅《STM32参考手册》。

2. 引脚描述

MISO：主输入/从输出数据；

MOSI：主输出/从输入数据；

SCK：时钟（主输出，从输入时钟）；

NSS：从器件选择，可理解片选信号；

3. SPI时序

SPI的时序中有两个参数需要注意，那就是时钟相位和时钟极性。在STM32中，SPI时序由CPOL 和 CPHA 这两位来决定。

通过软件配置这两个参数，可分为四种时序关系，如下图：

4. 数据帧格式

串行同行数据传输分为 MSB 和 LSB，也就是最高有效位在前，还是最低有效位在前。（注：最左边的比特位即为最高有效位）。

比如传输一个字节：0x95（1001 0101）。

如果按照MSB（高位在前），则发送顺序：1001 0101。

如果按照LSB（低位在前），则发送顺序反过来：1010 1001。

STM32 SPI参数配置

通常STM32的SPI作为主机连接外部从机，要与从机建立正常通信，就必须与从机的参数匹配才行。

这里以【STM32作为SPI主机读写SPI Flash】为例，主要配置参数：双向全双工、主机模式、8位数据、MSB等。

1. 标准外设库配置SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //双向全双工SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //主机模式SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //8位数据SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //时钟极性：空闲为高SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //时钟相位：第2个时钟沿捕获SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //软件控制NSS信号SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; //波特率预分频值为4SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //数据传输从 MSB 位开始SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

只看该作者 · 2023-8-22 15:32

2. STM32CubeMX配置

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2023-8-22 15:32 上传

首先选择全双工主机模式，然后再逐步配置下面参数。这里的波特率时钟灰色不可配置，由你系统时钟和分频时钟决定。

这些配置参数比较容易理解（英文清晰明了），若不懂可针对性查阅参考手册。
STM32 SPI常见问题

虽说SPI相对比较简单，但在实际应用过程中还是会存在一些奇怪的问题，下面通过案例来分析SPI常见的一些问题。

问题一：NSS片选问题
有工程师使用硬件NSS控制从机，以为NSS信号是自动控制，导致操作从设备失败。

分析原因：STM32 SPI的NSS信号为片选信号，可“使能”为硬件控制（参看上面参数配置）。

但在应用中同样需要软件操作才能控制NSS信号（高低），比如：

SPI_NSSInternalSoftwareConfig(SPI1, SPI_NSSInternalSoft_Set);
▲ 左右滑动，查看完整代码
解决办法：按照通信时序，控制NSS信号高低（通常低有效）。

问题二：SPI引脚复用功能问题
STM32的SPI是一种复用功能，之前使用标准外设库的工程师容易遗漏复用功能的配置导致SPI不能使用。

分析原因：SPI有些引脚对应的是特殊功能的引脚，比如：PB3（MISO）对应的是 JTDO，如果不配置则默认这个引脚的功能就是 JTDO的功能。

以前经常存在这种问题，但现在通过工具STM32CubeMX配置时自动配置了复用功能。

解决办法：参考官方提供在初始化代码中配置复用功能（同时，推荐使用HAL库）。

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

问题三：时钟速率过高问题
有工程师购买一个通信为SPI的模块，最高通信速率8MB/s，他使用10.5MB/s通信速率也能用，但偶尔会出现通信异常。

分析原因：一个芯片标称的最高速率其实是相对保守的值，在条件比较好的情况下超过了最高值也能用，但不能保证稳定性。

STM32 SPI的时钟频率由系统时钟和分频决定，有的工程师没有深入理解这些参数，发现能用就不管了。

如上章节中的21MB/s，如果修改系统时钟，其实这个值会发生相应变化

解决办法：最简单的办法就是修改分频值。同时，如果环境恶劣，建议使用屏蔽线。（在保证整个产品系统实时性的同时，尽量降低通信速率）

问题四：时钟相位问题
有不少工程师在调试SPI时会遇到数据“移位”的问题，数据能收发为什么会出现这种问题呢？

分析原因：SPI通信时钟由主机提供，本身上电时（主从）各自的信号就不稳定，如果从机时钟相位也不匹配，就会因为时钟引起数据移位，或者异常的情况。

解决办法：软件上匹配SPI主从设备的时钟相位，使用通信协议，CRC、 checksum校验等。

2万 · 2023-8-22 21:13

用标准外设库的工程师容易遗漏复用功能的配置导致SPI不能使用

只看该作者 · 2023-8-23 20:58

确实不如hal库配置起来方便