STM32F103C8T6工控板双SPI接口互通设计方案

引言

在现代工业控制系统中，高效、可靠的数据通信是实现设备间协同工作的基石。串行外设接口（SPI）因其全双工、高速、同步的特性，在短距离、嵌入式设备间的通信中扮演着重要角色。STM32F103C8T6作为一款性能卓越的微控制器，凭借其丰富的片上资源，包括多个SPI接口，为实现复杂的通信方案提供了可能。本文旨在详细阐述基于STM32F103C8T6工控板上两个SPI接口进行互相通信的设计方案，深入探讨核心元器件的选择、功能及其在整个系统中的作用，并提供必要的软件设计思路。

1. 系统概述与SPI通信基础

1.1 系统架构

本设计方案的核心是利用一块STM32F103C8T6工控板上的两个独立的SPI接口（例如SPI1和SPI2）进行双向数据交换。其中一个SPI接口配置为主模式（Master），负责产生时钟信号和片选信号，并主动发起数据传输；另一个SPI接口配置为从模式（Slave），根据主机的时钟和片选信号进行数据收发。这种主从模式的配置，模拟了两个独立设备之间通过SPI进行通信的场景，对于理解SPI通信的本质以及未来扩展到多设备通信具有重要意义。

1.2 SPI通信原理回顾

SPI是一种同步串行通信协议，通常由四根信号线组成：

• SCK (Serial Clock)：串行时钟，由主设备生成，用于同步数据传输。

• MOSI (Master Output, Slave Input)：主设备数据输出，从设备数据输入。

• MISO (Master Input, Slave Output)：主设备数据输入，从设备数据输出。

• NSS (Negative Slave Select) 或 CS (Chip Select)：片选信号，由主设备控制，用于选择特定的从设备进行通信，通常为低电平有效。

SPI通信的特点是全双工，即主从设备可以同时发送和接收数据。数据传输以字节为单位，通过移位寄存器完成。主设备通过SCK信号同步移位寄存器，MOSI线上的数据从主设备移入从设备，MISO线上的数据从从设备移入主设备。

2. 核心元器件选型与分析

2.1 微控制器：STM32F103C8T6

• 选择理由：STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，属于STM32F1系列中的“中等密度”产品。它具有卓越的性价比、丰富的片上外设和强大的处理能力，非常适合工业控制应用。其内置的多个SPI接口（通常是SPI1和SPI2）可以直接满足本方案中两个SPI接口互通的需求。此外，该型号拥有足够的GPIO引脚用于配置SPI通信、中断处理以及其他潜在的控制功能。其成熟的开发生态系统，包括ST-Link调试器和Keil MDK、STM32CubeIDE等开发环境，也大大简化了开发过程。

• 功能特性：

• Cortex-M3内核：提供高性能和低功耗的均衡。

• 闪存与SRAM：通常为64KB闪存和20KB SRAM，足以存储复杂的通信协议和应用代码。

• 多个SPI接口：STM32F103C8T6通常提供两个全双工SPI接口（SPI1和SPI2），每个接口都可以配置为主模式或从模式。支持多种数据帧格式（8位或16位）、多种时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）组合，以及不同的波特率预分频器。

• 通用I/O (GPIO)：丰富的GPIO引脚可灵活配置为SPI通信引脚（SCK、MOSI、MISO、NSS），以及用于其他控制和指示的引脚。

• 中断控制器 (NVIC)：支持多种中断源，包括SPI中断，方便进行非阻塞的数据处理。

• DMA控制器：支持DMA（直接存储器访问），可以实现SPI数据的自动收发，无需CPU干预，大大提高数据传输效率，降低CPU负载。

2.2 逻辑电平转换芯片（可选）

• 选择理由：如果STM32F103C8T6的SPI接口需要与不同电压域（例如5V）的外部设备通信，或者考虑到未来扩展兼容性，建议使用逻辑电平转换芯片。尽管在本方案中，两个SPI接口都在同一块STM32芯片上，通常不需要电平转换，但如果在实际工控板设计中，SPI信号会引出到外部连接器，并可能连接到其他电压等级的模块时，提前预留电平转换电路是明智之举。这可以避免因电压不匹配导致芯片损坏或通信不稳定。

• 推荐型号：

• TXB0104RGYR (TI)：这是一款4位双向电压电平转换器，无需方向控制信号，可自动检测数据流方向。支持1.2V至3.6V和1.65V至5.5V之间的电压转换，响应速度快，适用于高速SPI通信。

• SN74LVC2T45DCUR (TI)：双位双电源总线收发器，可实现异步双向电压电平转换。它需要方向控制引脚，但同样适用于宽电压范围的转换，且速度快。

• 功能特性：

• 实现不同电压域之间信号的可靠传输。

• 保护低压芯片免受高压信号的损坏。

• 确保信号完整性，减少噪声干扰。

2.3 其他辅助元器件

• 电源管理单元：为STM32F103C8T6提供稳定的3.3V电源。通常集成在工控板上，例如采用AMS1117-3.3 (AIM Semiconductor) 等低压差线性稳压器（LDO）或DC-DC转换器。AMS1117-3.3成本低廉，易于使用，可以为微控制器提供稳定的3.3V供电。

• 晶振：为STM32F103C8T6提供精确的时钟源。通常选用8MHz或12MHz的无源晶振，并配合两个20pF左右的匹配电容。晶振的精度直接影响微控制器的工作稳定性，尤其对于定时器和通信波特率的准确性至关重要。

• 复位电路：由一个复位按键和RC充放电电路组成，用于初始化微控制器。通常包括一个10KΩ电阻和一个0.1μF电容，连接到STM32的NRST引脚。

• 调试接口：SWD（Serial Wire Debug）接口，通常使用SWD接头，用于连接ST-Link调试器，实现程序下载和在线调试。这是开发过程中不可或缺的工具。

3. 硬件连接设计

在本方案中，两个SPI接口位于同一颗STM32F103C8T6芯片内部，因此硬件连接相对简单，主要涉及GPIO引脚的正确分配。

• SPI1（主机配置）引脚分配：

• PA5 -> SPI1_SCK (时钟输出)

• PA6 -> SPI1_MISO (数据输入)

• PA7 -> SPI1_MOSI (数据输出)

• PA4 -> SPI1_NSS (片选输出，通常配置为软件片选或硬件片选)

• SPI2（从机配置）引脚分配：

• PB10 -> SPI2_SCK (时钟输入)

• PB14 -> SPI2_MISO (数据输出)

• PB15 -> SPI2_MOSI (数据输入)

• PB12 -> SPI2_NSS (片选输入，通常配置为硬件片选)

关键连接原则：

• SPI1_SCK连接到SPI2_SCK：实现时钟同步。

• SPI1_MOSI连接到SPI2_MOSI：主机的输出连接到从机的输入。

• SPI1_MISO连接到SPI2_MISO：从机的输出连接到主机的输入。

• SPI1_NSS连接到SPI2_NSS：主机的片选输出连接到从机的片选输入，确保主从设备在同一时刻被激活进行通信。

4. 软件设计方案

软件设计是实现SPI互通的核心，主要包括SPI接口的初始化配置、数据传输机制以及中断/DMA处理。

4.1 SPI接口初始化

使用STM32CubeMX或HAL库进行初始化是最便捷的方式。

• SPI1（主机）配置：

• 模式：主模式（Master Mode）

• 数据帧格式：8位或16位（根据应用需求选择，通常为8位）

• 数据顺序：MSB优先（高位在前）或LSB优先（低位在前）

• 时钟极性（CPOL）与时钟相位（CPHA）：根据需要选择，例如CPOL=Low, CPHA=1Edge（SPI模式0）或CPOL=High, CPHA=2Edge（SPI模式3）。主从设备必须保持一致。

• 波特率预分频器：选择合适的预分频器以获得期望的SCK频率。例如，如果系统时钟为72MHz，选择/8分频，则SPI时钟为9MHz。

• NSS管理：软件NSS（通过GPIO控制NSS引脚）或硬件NSS输出（由SPI外设自动控制NSS引脚）。在本方案中，由于两个SPI接口在同一芯片内，且SPI1作为主机控制SPI2，建议将SPI1的NSS配置为硬件输出NSS，并连接到SPI2的硬件NSS输入，以简化同步。

• CRC校验：根据需要启用或禁用。

• 数据大小：通常为8位。

• SPI2（从机）配置：

• 模式：从模式（Slave Mode）

• 数据帧格式：与SPI1一致

• 数据顺序：与SPI1一致

• 时钟极性（CPOL）与时钟相位（CPHA）：与SPI1一致

• NSS管理：硬件NSS输入，由SPI外设自动处理。

4.2 数据传输机制

有三种主要的数据传输方式：轮询、中断和DMA。

• 轮询（Polling）方式：

• 优点：实现简单，无需中断服务函数。

• 缺点：CPU会持续检查SPI状态寄存器，等待数据传输完成，效率低下，会阻塞其他任务。

• 实现：

// 主机发送一个字节，并接收一个字节HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &tx_data, &rx_data, 1, 

HAL_MAX_DELAY);// 从机接收一个字节，并发送一个字节HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2, &tx_data_slave, 

&rx_data_slave, 1, HAL_MAX_DELAY);

在实际应用中，主机先发送，从机准备好接收，然后从机发送，主机接收。

• 中断（Interrupt）方式：

• 优点：非阻塞式传输，CPU可以在等待数据传输完成时执行其他任务，提高CPU利用率。

• 缺点：每次传输一个字节都会产生中断，对于大数据量传输，中断开销较大。

• 实现：

  C

  // SPI1（主机）发送/接收中断回调函数示例void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi){    

  if (hspi->Instance == SPI1) {        // 主机发送/接收完成处理
          // ...
      }    if (hspi->Instance == SPI2) {        // 从机发送/接收完成处理
          // ...
      }
  }// 启动中断传输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. 启用SPI1和SPI2的RXNE（接收非空）和TXE（发送空中）中断。

2. 在中断服务函数中，根据中断标志位进行数据的发送和接收。

• DMA（Direct Memory Access）方式：

• 优点：最高效的数据传输方式，CPU无需参与数据传输过程，DMA控制器直接在内存和SPI外设之间搬运数据，极大地降低CPU负载，适用于大数据量、高速传输。

• 缺点：配置相对复杂，需要正确设置DMA通道、数据方向、传输模式等。

• 实现：

  // 启动DMA传输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传输完成后，会触发DMA完成中断，可以在DMA中断回调函数中处理后续逻辑。

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

2. 在代码中调用DMA传输函数。

4.3 通信协议设计

虽然是两个SPI接口在同一芯片内互通，但设计一个简单的通信协议仍然有助于管理数据流和错误处理。

• 数据帧结构：可以定义数据包的起始标志、数据长度、数据内容、校验和等。

• 握手机制：简单的握手协议可以确保数据传输的同步性。例如，主机发送一个命令字，从机接收并返回一个应答字。

• 错误校验：在数据包中加入CRC校验（如CRC8或CRC16），以确保数据完整性。STM32的SPI外设通常也内置了CRC校验功能。

4.4 软件流程图（伪代码）

主程序:
  初始化系统时钟
  初始化GPIO
  初始化SPI1 (主机模式, DMA/中断使能)
  初始化SPI2 (从机模式, DMA/中断使能)

  // 确保SPI2从机准备好接收
  // 如果是DMA模式，先启动从机接收DMA
  HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi2, &slave_rx_buffer, data_len);

  While (1)
    {
      // 主机准备数据
      Fill_Master_Tx_Buffer(master_tx_buffer);

      // 主机启动DMA传输 (发送并接收)
      HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, master_tx_buffer, master_rx_buffer, data_len);

      // 等待主机DMA传输完成 (通过回调函数或标志位)
      Wait_For_Master_DMA_Completion();

      // 处理主机接收到的数据
      Process_Master_Rx_Data(master_rx_buffer);

      // 从机处理接收到的数据，并准备发送数据
      Process_Slave_Rx_Data(slave_rx_buffer);
      Fill_Slave_Tx_Buffer(slave_tx_buffer);

      // 如果需要，重新启动从机DMA接收和发送
      // HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi2, &slave_rx_buffer, data_len);
      // HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi2, &slave_tx_buffer, data_len);

      // 延时或执行其他任务
      HAL_Delay(100);
    }

// SPI主机DMA传输完成回调函数
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
  if (hspi->Instance == SPI1) {
    // 主机传输完成标志置位
    master_transfer_complete = SET;
  }
  if (hspi->Instance == SPI2) {
    // 从机传输完成标志置位
    slave_transfer_complete = SET;
  }
}

5. 调试与验证

• 示波器：这是调试SPI通信最强大的工具。通过观察SCK、MOSI、MISO、NSS信号的时序，可以验证波特率、CPOL/CPHA设置是否正确，以及数据是否按照预期传输。

• 逻辑分析仪：如果示波器通道不够，或者需要长时间的数据捕获和协议解析，逻辑分析仪是更好的选择。

• 串口调试：通过UART将SPI传输的数据打印到PC端，方便查看数据内容。

• 断点调试：使用ST-Link和Keil/STM32CubeIDE进行在线调试，观察寄存器状态和变量值，逐步跟踪代码执行。

6. 潜在问题与解决方案

• 时钟极性与相位不匹配：这是SPI通信中最常见的问题。主从设备的CPOL和CPHA必须严格一致。通过示波器观察SCK和数据线的波形即可判断。

• NSS信号控制不当：硬件NSS和软件NSS的选择、NSS的有效电平（高电平或低电平有效）以及NSS信号的正确时序都至关重要。

• 数据收发不同步：在DMA或中断模式下，需要确保主从设备在开始传输前都已准备就绪。例如，从机DMA接收应在主机开始发送前启动。

• 缓冲区溢出/欠载：在高速传输时，如果处理速度跟不上，可能导致接收缓冲区溢出或发送缓冲区欠载。可以考虑增大缓冲区大小，优化数据处理逻辑，或者使用DMA。

• 电平不兼容：虽然在本方案中两个SPI接口在同一芯片内，但如果涉及到外部SPI设备，需要确认电平是否匹配，必要时使用电平转换芯片。

• DMA配置错误：DMA通道、数据方向、传输模式、内存地址增量等配置参数的任何错误都可能导致DMA传输失败。

7. 结论

本文详细阐述了基于STM32F103C8T6工控板双SPI接口互通的设计方案。通过选择合适的微控制器和辅助元器件，并进行精心的硬件连接和软件编程，可以实现高效、可靠的片内SPI通信。理解SPI通信原理、掌握STM32的SPI外设配置以及选择合适的传输模式（轮询、中断或DMA）是成功的关键。此方案不仅适用于STM32内部SPI接口的互通，其设计思想和调试方法也为未来扩展到STM32与其他外部SPI设备（如传感器、存储器、显示屏等）的通信奠定了坚实基础，为工业控制系统的设计与开发提供了宝贵的参考。