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SPI通信协议详解与应用实例

news 2026/5/12 18:08:17

SPI协议概述

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速全双工同步串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统中连接微控制器与传感器、存储器等外设。其核心采用主从架构，通过SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）和SS（片选）四线实现数据交换。

SPI模式配置

SPI协议有四种工作模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）组合决定。以下代码展示STM32Cube HAL库中SPI模式配置：

SPI_HandleTypeDef hspi1; void SPI_Init(void) { hspi1.Instance = SPI1; hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 主模式 hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 全双工 hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 8位数据 hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // CPOL=0 hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // CPHA=0 hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件控制片选 hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8; // 时钟分频 HAL_SPI_Init(&hspi1); }

数据收发示例

通过HAL_SPI_TransmitReceive()实现全双工通信。以下示例读取温湿度传感器SHT30的数据：

uint8_t txData[2] = {0x2C, 0x06}; // SHT30测量命令 uint8_t rxData[6] = {0}; // 接收数据缓冲区 void Read_SHT30(void) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); // 拉低片选 HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txData, rxData, 2, 100); // 发送命令 HAL_Delay(20); // 等待测量完成 HAL_SPI_Receive(&hspi1, rxData, 6, 100); // 读取6字节数据 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET); // 释放片选 // 解析温湿度数据 uint16_t tempRaw = (rxData[0] << 8) | rxData[1]; uint16_t humiRaw = (rxData[3] << 8) | rxData[4]; }

软件模拟SPI实现

当硬件SPI资源不足时，可通过GPIO模拟时序。以下为模拟SPI发送函数：

#define SCK_PIN GPIO_PIN_5 #define MOSI_PIN GPIO_PIN_7 #define CS_PIN GPIO_PIN_4 void Soft_SPI_Write(uint8_t data) { for(int i=0; i<8; i++) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, SCK_PIN, GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, MOSI_PIN, (data & 0x80) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); HAL_Delay(1); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, SCK_PIN, GPIO_PIN_SET); // 上升沿采样 data <<= 1; HAL_Delay(1); } }

SPI与Flash存储器交互

以下为W25Q128 Flash芯片的页写入操作示例：

#define PAGE_PROGRAM_CMD 0x02 void Flash_WritePage(uint32_t addr, uint8_t *data) { uint8_t cmd[4] = { PAGE_PROGRAM_CMD, (addr >> 16) & 0xFF, (addr >> 8) & 0xFF, addr & 0xFF }; HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, CS_PIN, GPIO_PIN_RESET); HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, 100); // 发送命令和地址 HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, 256, 100); // 写入256字节数据 HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, CS_PIN, GPIO_PIN_SET); }