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STM32 SPI通信实现24位传感器数据采集

news 2026/6/17 19:17:55

1. 项目背景与需求分析

最近在开发一个基于STM32的传感器数据采集系统时，遇到了一个典型的SPI通信问题。传感器要求主机先发送8位命令，然后必须连续发送24位数据（虽然这些数据本身没有意义），才能获取传感器返回的24位有效数据。这个需求看似简单，但在STM32上实现时却遇到了不少坑。

SPI作为嵌入式领域最常用的同步串行通信接口之一，其全双工、主从式的工作方式非常适合传感器数据采集。但在实际应用中，当数据位宽超过SPI控制器默认的8位或16位时，就需要特别注意时序控制和数据传输的连续性。这正是本文要解决的核心问题。

2. 硬件环境搭建

2.1 硬件选型与连接

本方案基于STM32F0系列单片机，使用SPI1接口与传感器通信。硬件连接如下：

SCK(PB3): 时钟线
MISO(PB4): 主机输入从机输出
MOSI(PB5): 主机输出从机输入
CS(PA15): 片选信号（软件控制）

注意：STM32F0与F1系列的SPI控制器有细微差异，特别是FIFO配置部分，这在后续编程时需要特别注意。

2.2 时钟配置优化

为了获得最佳传输性能，我对系统时钟进行了如下配置：

使用内部HSI时钟源（8MHz）
通过PLL倍频至56MHz系统时钟
SPI时钟8分频，得到7MHz通信速率

RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSI_Div2, RCC_PLLMul_14); RCC_PLLCmd(ENABLE); while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET); RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);

3. GPIO与SPI初始化

3.1 GPIO配置详解

SPI引脚需要配置为复用功能模式，而片选信号CS则需要配置为普通GPIO输出：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 使能GPIO时钟 RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA | RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE); // SPI引脚配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5; // SCK/MISO/MOSI GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // 配置复用功能 GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource3, GPIO_AF_0); GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource4, GPIO_AF_0); GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_0); // CS引脚配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

3.2 SPI控制器初始化

STM32F0的SPI初始化有几个关键点需要注意：

SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8; SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); // STM32F0特有配置 SPI_RxFIFOThresholdConfig(SPI1, SPI_RxFIFOThreshold_QF); SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

关键点：STM32F0必须配置RxFIFO阈值，否则可能导致数据接收异常。这里设置为1/4 FIFO阈值(SPI_RxFIFOThreshold_QF)。

4. 24位数据传输实现

4.1 非DMA方式实现

直接操作SPI数据寄存器(DR)时需要注意，STM32的DR寄存器是16位的，直接写入会导致产生16个时钟脉冲。我们需要精确控制8位数据传输：

uint32_t SPI_WriteRead(void) { uint16_t num1, num2, num3; uint32_t SensorData; // 拉低片选 GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_15); // 发送8位命令(0x3F) *((uint8_t*)&(SPI1->DR) + 1) = 0x3F; num1 = SPI1->DR; // 读取返回数据 // 等待传输完成 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET); // 发送8位无效数据(0xFF)获取传感器数据 *((uint8_t*)&(SPI1->DR) + 1) = 0xFF; num2 = SPI1->DR; while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET); // 再次发送8位无效数据(0xFF) *((uint8_t*)&(SPI1->DR) + 1) = 0xFF; num3 = SPI1->DR; while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET); // 拉高片选 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_15); // 组合24位数据 SensorData = ((num2 & 0xFF) << 16) | ((num3 & 0xFF) << 8) | (num1 & 0xFF); return SensorData; }

4.2 关键技巧解析

精确控制8位传输：通过将DR寄存器地址强制转换为uint8_t指针，并偏移1字节访问低8位，确保每次只传输8位数据：
```
*((uint8_t*)&(SPI1->DR) + 1) = 0xFF;
```
状态检测优化：避免使用RXNE标志判断接收完成，改用BSY标志，更可靠：
```
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET);
```
数据组合技巧：将从传感器接收的3个8位数据组合为24位值时，注意屏蔽高位和移位操作：
```
SensorData = ((num2 & 0xFF) << 16) | ((num3 & 0xFF) << 8) | (num1 & 0xFF);
```

5. DMA方式优化实现

5.1 DMA控制器配置

为提高传输效率，可以使用DMA控制器自动搬运数据：

// DMA发送配置 void MYDMA_TX_Config(DMA_Channel_TypeDef* DMA_CHx, uint32_t cpar, uint32_t cmar, uint16_t cndtr) { DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure; RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); DMA_DeInit(DMA_CHx); DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = cpar; DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = cmar; DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = cndtr; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; DMA_Init(DMA_CHx, &DMA_InitStructure); }

5.2 DMA方式传输实现

配置好DMA后，24位数据传输可以简化为：

uint8_t txData[3] = {0x3F, 0xFF, 0xFF}; uint8_t rxData[3]; void SPI_DMA_Transfer(void) { // 配置DMA MYDMA_TX_Config(DMA1_Channel3, (uint32_t)&SPI1->DR, (uint32_t)txData, 3); MYDMA_RX_Config(DMA1_Channel2, (uint32_t)&SPI1->DR, (uint32_t)rxData, 3); // 拉低片选 GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_15); // 使能DMA SPI_I2S_DMACmd(SPI1, SPI_I2S_DMAReq_Tx | SPI_I2S_DMAReq_Rx, ENABLE); MYDMA_TX_Enable(DMA1_Channel3); MYDMA_RX_Enable(DMA1_Channel2); // 等待传输完成 while(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC3) == RESET); while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET); // 拉高片选 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_15); // 组合24位数据 uint32_t SensorData = (rxData[1] << 16) | (rxData[2] << 8) | rxData[0]; return SensorData; }