SPI接口的相关介绍

SPI接口（Serial Peripheral Interface）技术详解

一、基础特性

1. 全双工同步串行通信

   • 速率可达50MHz（STMicroelectronics STM32H7系列）

   • 4线制基础架构：

     • SCLK：时钟线（主机控制）

     • MOSI：主机输出从机输入（Master Out Slave In）

     • MISO：主机输入从机输出（Master In Slave Out）

     • SS/CS：片选信号（低电平有效）

2. 电气特性

   参数	典型值
   电压电平	1.8V/3.3V/5V
   驱动能力	20mA（推挽输出）
   传输距离	<1m（板级互联）

二、工作模式配置

1. 时钟极性(CPOL)与相位(CPHA)

   模式	CPOL	CPHA	数据采样时刻
   0	0	0	SCLK上升沿
   1	0	1	SCLK下降沿
   2	1	0	SCLK下降沿
   3	1	1	SCLK上升沿

2. 数据帧格式

   • 数据宽度：通常8位（可扩展至16/32位）

   • 传输顺序：MSB First（默认）或LSB First

   • 典型时序（模式0）

三、拓扑结构对比

四、性能优化技术

1. DMA传输

   • STM32的SPI+DMA可实现0 CPU占用的连续传输

   • 缓冲区描述符自动跳转（如NXP FlexIO）

2. 硬件加速

   • ESP32的SPI控制器支持40MHz时钟+8线并行（Octal SPI）

3. 信号完整性

   • 阻抗匹配：串联22Ω电阻（抑制振铃）

   • 等长布线：SCLK与数据线长度差<5mm（100MHz时）

关键器件选型：

• 电平转换：TXS0108（1.8V?3.3V双向转换）

• 隔离方案：ADuM3151（150Mbps数字隔离器）

五、协议分析技巧

1. 逻辑分析仪捕获

   • 触发条件设置：CS下降沿+SCLK边沿

   • 解码显示：Saleae Logic可自动解析SPI数据

2. 故障排查

   现象	可能原因	解决方案
   无响应	CS信号未激活	检查GPIO输出电平
   数据错位	CPOL/CPHA配置错误	重设工作模式
   通信不稳定	未接上拉电阻	MOSI/MISO加4.7k上拉

六、行业应用实例

1. 存储器件

   • Winbond W25Q128：Quad SPI模式下可达104MHz

   • 读写时序：

2. 显示驱动

   • ILI9341 TFT屏：利用SPI实现18bit色深传输

   • 优化技巧：采用DMA+双缓冲减少刷屏延迟

3. 工业传感器

   • ADXL345加速度计：SPI模式比I2C快3倍