STM32F103C8T6工控板雙SPI接口互通設(shè)計(jì)方案

引言

在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，高效、可靠的數(shù)據(jù)通信是實(shí)現(xiàn)設(shè)備間協(xié)同工作的基石。串行外設(shè)接口（SPI）因其全雙工、高速、同步的特性，在短距離、嵌入式設(shè)備間的通信中扮演著重要角色。STM32F103C8T6作為一款性能卓越的微控制器，憑借其豐富的片上資源，包括多個(gè)SPI接口，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的通信方案提供了可能。本文旨在詳細(xì)闡述基于STM32F103C8T6工控板上兩個(gè)SPI接口進(jìn)行互相通信的設(shè)計(jì)方案，深入探討核心元器件的選擇、功能及其在整個(gè)系統(tǒng)中的作用，并提供必要的軟件設(shè)計(jì)思路。

1. 系統(tǒng)概述與SPI通信基礎(chǔ)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)方案的核心是利用一塊STM32F103C8T6工控板上的兩個(gè)獨(dú)立的SPI接口（例如SPI1和SPI2）進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換。其中一個(gè)SPI接口配置為主模式（Master），負(fù)責(zé)產(chǎn)生時(shí)鐘信號和片選信號，并主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸；另一個(gè)SPI接口配置為從模式（Slave），根據(jù)主機(jī)的時(shí)鐘和片選信號進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。這種主從模式的配置，模擬了兩個(gè)獨(dú)立設(shè)備之間通過SPI進(jìn)行通信的場景，對于理解SPI通信的本質(zhì)以及未來擴(kuò)展到多設(shè)備通信具有重要意義。

1.2 SPI通信原理回顧

SPI是一種同步串行通信協(xié)議，通常由四根信號線組成：

• SCK (Serial Clock)：串行時(shí)鐘，由主設(shè)備生成，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。

• MOSI (Master Output, Slave Input)：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入。

• MISO (Master Input, Slave Output)：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。

• NSS (Negative Slave Select) 或 CS (Chip Select)：片選信號，由主設(shè)備控制，用于選擇特定的從設(shè)備進(jìn)行通信，通常為低電平有效。

SPI通信的特點(diǎn)是全雙工，即主從設(shè)備可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸以字節(jié)為單位，通過移位寄存器完成。主設(shè)備通過SCK信號同步移位寄存器，MOSI線上的數(shù)據(jù)從主設(shè)備移入從設(shè)備，MISO線上的數(shù)據(jù)從從設(shè)備移入主設(shè)備。

2. 核心元器件選型與分析

2.1 微控制器：STM32F103C8T6

• 選擇理由：STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，屬于STM32F1系列中的“中等密度”產(chǎn)品。它具有卓越的性價(jià)比、豐富的片上外設(shè)和強(qiáng)大的處理能力，非常適合工業(yè)控制應(yīng)用。其內(nèi)置的多個(gè)SPI接口（通常是SPI1和SPI2）可以直接滿足本方案中兩個(gè)SPI接口互通的需求。此外，該型號擁有足夠的GPIO引腳用于配置SPI通信、中斷處理以及其他潛在的控制功能。其成熟的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，包括ST-Link調(diào)試器和Keil MDK、STM32CubeIDE等開發(fā)環(huán)境，也大大簡化了開發(fā)過程。

• 功能特性：

• Cortex-M3內(nèi)核：提供高性能和低功耗的均衡。

• 閃存與SRAM：通常為64KB閃存和20KB SRAM，足以存儲復(fù)雜的通信協(xié)議和應(yīng)用代碼。

• 多個(gè)SPI接口：STM32F103C8T6通常提供兩個(gè)全雙工SPI接口（SPI1和SPI2），每個(gè)接口都可以配置為主模式或從模式。支持多種數(shù)據(jù)幀格式（8位或16位）、多種時(shí)鐘極性（CPOL）和時(shí)鐘相位（CPHA）組合，以及不同的波特率預(yù)分頻器。

• 通用I/O (GPIO)：豐富的GPIO引腳可靈活配置為SPI通信引腳（SCK、MOSI、MISO、NSS），以及用于其他控制和指示的引腳。

• 中斷控制器 (NVIC)：支持多種中斷源，包括SPI中斷，方便進(jìn)行非阻塞的數(shù)據(jù)處理。

• DMA控制器：支持DMA（直接存儲器訪問），可以實(shí)現(xiàn)SPI數(shù)據(jù)的自動收發(fā)，無需CPU干預(yù)，大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低CPU負(fù)載。

2.2 邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片（可選）

• 選擇理由：如果STM32F103C8T6的SPI接口需要與不同電壓域（例如5V）的外部設(shè)備通信，或者考慮到未來擴(kuò)展兼容性，建議使用邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片。盡管在本方案中，兩個(gè)SPI接口都在同一塊STM32芯片上，通常不需要電平轉(zhuǎn)換，但如果在實(shí)際工控板設(shè)計(jì)中，SPI信號會引出到外部連接器，并可能連接到其他電壓等級的模塊時(shí)，提前預(yù)留電平轉(zhuǎn)換電路是明智之舉。這可以避免因電壓不匹配導(dǎo)致芯片損壞或通信不穩(wěn)定。

• 推薦型號：

• TXB0104RGYR (TI)：這是一款4位雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器，無需方向控制信號，可自動檢測數(shù)據(jù)流方向。支持1.2V至3.6V和1.65V至5.5V之間的電壓轉(zhuǎn)換，響應(yīng)速度快，適用于高速SPI通信。

• SN74LVC2T45DCUR (TI)：雙位雙電源總線收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)異步雙向電壓電平轉(zhuǎn)換。它需要方向控制引腳，但同樣適用于寬電壓范圍的轉(zhuǎn)換，且速度快。

• 功能特性：

• 實(shí)現(xiàn)不同電壓域之間信號的可靠傳輸。

• 保護(hù)低壓芯片免受高壓信號的損壞。

• 確保信號完整性，減少噪聲干擾。

2.3 其他輔助元器件

• 電源管理單元：為STM32F103C8T6提供穩(wěn)定的3.3V電源。通常集成在工控板上，例如采用AMS1117-3.3 (AIM Semiconductor) 等低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）或DC-DC轉(zhuǎn)換器。AMS1117-3.3成本低廉，易于使用，可以為微控制器提供穩(wěn)定的3.3V供電。

• 晶振：為STM32F103C8T6提供精確的時(shí)鐘源。通常選用8MHz或12MHz的無源晶振，并配合兩個(gè)20pF左右的匹配電容。晶振的精度直接影響微控制器的工作穩(wěn)定性，尤其對于定時(shí)器和通信波特率的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

• 復(fù)位電路：由一個(gè)復(fù)位按鍵和RC充放電電路組成，用于初始化微控制器。通常包括一個(gè)10KΩ電阻和一個(gè)0.1μF電容，連接到STM32的NRST引腳。

• 調(diào)試接口：SWD（Serial Wire Debug）接口，通常使用SWD接頭，用于連接ST-Link調(diào)試器，實(shí)現(xiàn)程序下載和在線調(diào)試。這是開發(fā)過程中不可或缺的工具。

3. 硬件連接設(shè)計(jì)

在本方案中，兩個(gè)SPI接口位于同一顆STM32F103C8T6芯片內(nèi)部，因此硬件連接相對簡單，主要涉及GPIO引腳的正確分配。

• SPI1（主機(jī)配置）引腳分配：

• PA5 -> SPI1_SCK (時(shí)鐘輸出)

• PA6 -> SPI1_MISO (數(shù)據(jù)輸入)

• PA7 -> SPI1_MOSI (數(shù)據(jù)輸出)

• PA4 -> SPI1_NSS (片選輸出，通常配置為軟件片選或硬件片選)

• SPI2（從機(jī)配置）引腳分配：

• PB10 -> SPI2_SCK (時(shí)鐘輸入)

• PB14 -> SPI2_MISO (數(shù)據(jù)輸出)

• PB15 -> SPI2_MOSI (數(shù)據(jù)輸入)

• PB12 -> SPI2_NSS (片選輸入，通常配置為硬件片選)

關(guān)鍵連接原則：

• SPI1_SCK連接到SPI2_SCK：實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。

• SPI1_MOSI連接到SPI2_MOSI：主機(jī)的輸出連接到從機(jī)的輸入。

• SPI1_MISO連接到SPI2_MISO：從機(jī)的輸出連接到主機(jī)的輸入。

• SPI1_NSS連接到SPI2_NSS：主機(jī)的片選輸出連接到從機(jī)的片選輸入，確保主從設(shè)備在同一時(shí)刻被激活進(jìn)行通信。

4. 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)SPI互通的核心，主要包括SPI接口的初始化配置、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制以及中斷/DMA處理。

4.1 SPI接口初始化

使用STM32CubeMX或HAL庫進(jìn)行初始化是最便捷的方式。

• SPI1（主機(jī)）配置：

• 模式：主模式（Master Mode）

• 數(shù)據(jù)幀格式：8位或16位（根據(jù)應(yīng)用需求選擇，通常為8位）

• 數(shù)據(jù)順序：MSB優(yōu)先（高位在前）或LSB優(yōu)先（低位在前）

• 時(shí)鐘極性（CPOL）與時(shí)鐘相位（CPHA）：根據(jù)需要選擇，例如CPOL=Low, CPHA=1Edge（SPI模式0）或CPOL=High, CPHA=2Edge（SPI模式3）。主從設(shè)備必須保持一致。

• 波特率預(yù)分頻器：選擇合適的預(yù)分頻器以獲得期望的SCK頻率。例如，如果系統(tǒng)時(shí)鐘為72MHz，選擇/8分頻，則SPI時(shí)鐘為9MHz。

• NSS管理：軟件NSS（通過GPIO控制NSS引腳）或硬件NSS輸出（由SPI外設(shè)自動控制NSS引腳）。在本方案中，由于兩個(gè)SPI接口在同一芯片內(nèi)，且SPI1作為主機(jī)控制SPI2，建議將SPI1的NSS配置為硬件輸出NSS，并連接到SPI2的硬件NSS輸入，以簡化同步。

• CRC校驗(yàn)：根據(jù)需要啟用或禁用。

• 數(shù)據(jù)大小：通常為8位。

• SPI2（從機(jī)）配置：

• 模式：從模式（Slave Mode）

• 數(shù)據(jù)幀格式：與SPI1一致

• 數(shù)據(jù)順序：與SPI1一致

• 時(shí)鐘極性（CPOL）與時(shí)鐘相位（CPHA）：與SPI1一致

• NSS管理：硬件NSS輸入，由SPI外設(shè)自動處理。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

有三種主要的數(shù)據(jù)傳輸方式：輪詢、中斷和DMA。

• 輪詢（Polling）方式：

• 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單，無需中斷服務(wù)函數(shù)。

• 缺點(diǎn)：CPU會持續(xù)檢查SPI狀態(tài)寄存器，等待數(shù)據(jù)傳輸完成，效率低下，會阻塞其他任務(wù)。

• 實(shí)現(xiàn)：

// 主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)，并接收一個(gè)字節(jié)HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &tx_data, &rx_data, 1, 

HAL_MAX_DELAY);// 從機(jī)接收一個(gè)字節(jié)，并發(fā)送一個(gè)字節(jié)HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2, &tx_data_slave, 

&rx_data_slave, 1, HAL_MAX_DELAY);

在實(shí)際應(yīng)用中，主機(jī)先發(fā)送，從機(jī)準(zhǔn)備好接收，然后從機(jī)發(fā)送，主機(jī)接收。

• 中斷（Interrupt）方式：

• 優(yōu)點(diǎn)：非阻塞式傳輸，CPU可以在等待數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)執(zhí)行其他任務(wù)，提高CPU利用率。

• 缺點(diǎn)：每次傳輸一個(gè)字節(jié)都會產(chǎn)生中斷，對于大數(shù)據(jù)量傳輸，中斷開銷較大。

• 實(shí)現(xiàn)：

  C

  // SPI1（主機(jī)）發(fā)送/接收中斷回調(diào)函數(shù)示例void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi){    

  if (hspi->Instance == SPI1) {        // 主機(jī)發(fā)送/接收完成處理
          // ...
      }    if (hspi->Instance == SPI2) {        // 從機(jī)發(fā)送/接收完成處理
          // ...
      }
  }// 啟動中斷傳輸HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, &tx_buffer_master, &rx_buffer_master, data_len);
  HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi2, &tx_buffer_slave, &rx_buffer_slave, data_len);
  

1. 啟用SPI1和SPI2的RXNE（接收非空）和TXE（發(fā)送空中）中斷。

2. 在中斷服務(wù)函數(shù)中，根據(jù)中斷標(biāo)志位進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

• DMA（Direct Memory Access）方式：

• 優(yōu)點(diǎn)：最高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，CPU無需參與數(shù)據(jù)傳輸過程，DMA控制器直接在內(nèi)存和SPI外設(shè)之間搬運(yùn)數(shù)據(jù)，極大地降低CPU負(fù)載，適用于大數(shù)據(jù)量、高速傳輸。

• 缺點(diǎn)：配置相對復(fù)雜，需要正確設(shè)置DMA通道、數(shù)據(jù)方向、傳輸模式等。

• 實(shí)現(xiàn)：

  // 啟動DMA傳輸HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, &tx_buffer_master, &rx_buffer_master, data_len);
  HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi2, &tx_buffer_slave, &rx_buffer_slave, data_len);
  

  在DMA傳輸完成后，會觸發(fā)DMA完成中斷，可以在DMA中斷回調(diào)函數(shù)中處理后續(xù)邏輯。

1. 在STM32CubeMX中為SPI1和SPI2配置DMA通道（通常SPI1_TX/RX和SPI2_TX/RX）。

2. 在代碼中調(diào)用DMA傳輸函數(shù)。

4.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

雖然是兩個(gè)SPI接口在同一芯片內(nèi)互通，但設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的通信協(xié)議仍然有助于管理數(shù)據(jù)流和錯(cuò)誤處理。

• 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：可以定義數(shù)據(jù)包的起始標(biāo)志、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容、校驗(yàn)和等。

• 握手機(jī)制：簡單的握手協(xié)議可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?。例如，主機(jī)發(fā)送一個(gè)命令字，從機(jī)接收并返回一個(gè)應(yīng)答字。

• 錯(cuò)誤校驗(yàn)：在數(shù)據(jù)包中加入CRC校驗(yàn)（如CRC8或CRC16），以確保數(shù)據(jù)完整性。STM32的SPI外設(shè)通常也內(nèi)置了CRC校驗(yàn)功能。

4.4 軟件流程圖（偽代碼）

主程序:
  初始化系統(tǒng)時(shí)鐘
  初始化GPIO
  初始化SPI1 (主機(jī)模式, DMA/中斷使能)
  初始化SPI2 (從機(jī)模式, DMA/中斷使能)

  // 確保SPI2從機(jī)準(zhǔn)備好接收
  // 如果是DMA模式，先啟動從機(jī)接收DMA
  HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi2, &slave_rx_buffer, data_len);

  While (1)
    {
      // 主機(jī)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)
      Fill_Master_Tx_Buffer(master_tx_buffer);

      // 主機(jī)啟動DMA傳輸 (發(fā)送并接收)
      HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, master_tx_buffer, master_rx_buffer, data_len);

      // 等待主機(jī)DMA傳輸完成 (通過回調(diào)函數(shù)或標(biāo)志位)
      Wait_For_Master_DMA_Completion();

      // 處理主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)
      Process_Master_Rx_Data(master_rx_buffer);

      // 從機(jī)處理接收到的數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)
      Process_Slave_Rx_Data(slave_rx_buffer);
      Fill_Slave_Tx_Buffer(slave_tx_buffer);

      // 如果需要，重新啟動從機(jī)DMA接收和發(fā)送
      // HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi2, &slave_rx_buffer, data_len);
      // HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi2, &slave_tx_buffer, data_len);

      // 延時(shí)或執(zhí)行其他任務(wù)
      HAL_Delay(100);
    }

// SPI主機(jī)DMA傳輸完成回調(diào)函數(shù)
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
  if (hspi->Instance == SPI1) {
    // 主機(jī)傳輸完成標(biāo)志置位
    master_transfer_complete = SET;
  }
  if (hspi->Instance == SPI2) {
    // 從機(jī)傳輸完成標(biāo)志置位
    slave_transfer_complete = SET;
  }
}

5. 調(diào)試與驗(yàn)證

• 示波器：這是調(diào)試SPI通信最強(qiáng)大的工具。通過觀察SCK、MOSI、MISO、NSS信號的時(shí)序，可以驗(yàn)證波特率、CPOL/CPHA設(shè)置是否正確，以及數(shù)據(jù)是否按照預(yù)期傳輸。

• 邏輯分析儀：如果示波器通道不夠，或者需要長時(shí)間的數(shù)據(jù)捕獲和協(xié)議解析，邏輯分析儀是更好的選擇。

• 串口調(diào)試：通過UART將SPI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打印到PC端，方便查看數(shù)據(jù)內(nèi)容。

• 斷點(diǎn)調(diào)試：使用ST-Link和Keil/STM32CubeIDE進(jìn)行在線調(diào)試，觀察寄存器狀態(tài)和變量值，逐步跟蹤代碼執(zhí)行。

6. 潛在問題與解決方案

• 時(shí)鐘極性與相位不匹配：這是SPI通信中最常見的問題。主從設(shè)備的CPOL和CPHA必須嚴(yán)格一致。通過示波器觀察SCK和數(shù)據(jù)線的波形即可判斷。

• NSS信號控制不當(dāng)：硬件NSS和軟件NSS的選擇、NSS的有效電平（高電平或低電平有效）以及NSS信號的正確時(shí)序都至關(guān)重要。

• 數(shù)據(jù)收發(fā)不同步：在DMA或中斷模式下，需要確保主從設(shè)備在開始傳輸前都已準(zhǔn)備就緒。例如，從機(jī)DMA接收應(yīng)在主機(jī)開始發(fā)送前啟動。

• 緩沖區(qū)溢出/欠載：在高速傳輸時(shí)，如果處理速度跟不上，可能導(dǎo)致接收緩沖區(qū)溢出或發(fā)送緩沖區(qū)欠載?？梢钥紤]增大緩沖區(qū)大小，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理邏輯，或者使用DMA。

• 電平不兼容：雖然在本方案中兩個(gè)SPI接口在同一芯片內(nèi)，但如果涉及到外部SPI設(shè)備，需要確認(rèn)電平是否匹配，必要時(shí)使用電平轉(zhuǎn)換芯片。

• DMA配置錯(cuò)誤：DMA通道、數(shù)據(jù)方向、傳輸模式、內(nèi)存地址增量等配置參數(shù)的任何錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致DMA傳輸失敗。

7. 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了基于STM32F103C8T6工控板雙SPI接口互通的設(shè)計(jì)方案。通過選擇合適的微控制器和輔助元器件，并進(jìn)行精心的硬件連接和軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的片內(nèi)SPI通信。理解SPI通信原理、掌握STM32的SPI外設(shè)配置以及選擇合適的傳輸模式（輪詢、中斷或DMA）是成功的關(guān)鍵。此方案不僅適用于STM32內(nèi)部SPI接口的互通，其設(shè)計(jì)思想和調(diào)試方法也為未來擴(kuò)展到STM32與其他外部SPI設(shè)備（如傳感器、存儲器、顯示屏等）的通信奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了寶貴的參考。