📚 课程目录第3章 SPI协议详解

3. SPI协议详解

SPI（Serial Peripheral Interface）是飞控系统中最常用的板级高速同步串行总线之一。它由 Motorola 提出，采用主从架构、全双工同步传输，典型速率可达 1～50 MHz，远高于 I²C。飞控中常见的 IMU、气压计、磁力计、Flash、SD 卡、无线模块等大量使用 SPI 接口。理解 SPI 的物理层、时序模式与片选拓扑，是编写稳定传感器驱动的前提。

一、物理层：四根信号线的职责

标准 SPI 使用四根信号线，构成一个主设备与一个或多个从设备之间的同步通信链路：

SCLK（Serial Clock）：由主机产生的时钟，决定数据传输速率，所有数据在时钟边沿采样或移出。
MOSI（Master Out Slave In）：主机输出、从机输入，主机通过它向从机发送命令与数据。
MISO（Master In Slave Out）：从机输出、主机输入，从机通过它回传数据。多从机时 MISO 通常为高阻态共享。
CS/SS（Chip Select / Slave Select）：片选信号，低电平有效，主机拉低某个从机的 CS 才与其通信。

SPI 没有像 I²C 那样的地址机制，也没有硬件应答（ACK）。从机选择完全依赖片选线，因此“一主一从”至少需要 4 根线，“一主多从”则需要为每个从机单独引出一根 CS，或采用菊花链方式共享 CS。

二、时序图与模式 0-3

SPI 的时序由两个参数决定：CPOL（Clock Polarity，时钟极性）和 CPHA（Clock Phase，时钟相位）。二者组合形成四种模式（Mode 0～3），主从双方必须使用相同模式，否则数据错位。

CPOL=0：空闲时 SCLK 为低电平；CPOL=1：空闲时 SCLK 为高电平。
CPHA=0：在第一个时钟边沿采样数据；CPHA=1：在第二个时钟边沿采样数据。

模式	CPOL	CPHA	空闲电平	采样边沿	典型器件
Mode 0	0	0	低	上升沿	多数 IMU、Flash
Mode 1	0	1	低	下降沿	部分 ADC
Mode 2	1	0	高	下降沿	少数传感器
Mode 3	1	1	高	上升沿	部分 EEPROM、SD 卡

飞控驱动中，Mode 0 与 Mode 3 最常见。配置错误时典型现象是读回全 0、全 0xFF 或数据整体偏移一位，务必先核对数据手册中的 CPOL/CPHA 描述。

三、片选控制与多从机连接

片选是 SPI 通信的“开关”。主机在发起传输前拉低目标从机的 CS，传输结束后拉高。CS 的时序要求包括：建立时间（CS 有效到第一个时钟边沿）、保持时间（最后一个时钟边沿到 CS 无效）以及 CS 拉高后的总线释放时间。若 CS 控制不当，会出现从机未选中、总线冲突或数据截断。

多从机连接主要有两种拓扑：

独立片选（Independent CS）：所有从机共享 SCLK、MOSI、MISO，每个从机独占一根 CS。主机通过拉低对应 CS 选择目标。优点是软件简单、可任意访问；缺点是引脚占用随从机数量线性增长。
菊花链（Daisy Chain）：从机串联，前一级 MISO 接下一级 MOSI，所有从机共享同一 CS。数据像移位寄存器一样逐级传递。优点是节省片选引脚；缺点是访问延迟随链长增加，且任一从机故障会影响整链，飞控中较少用于传感器，多用于多片 ADC 或 LED 驱动。

四、SPI 读写时序与驱动代码骨架

SPI 传输本质是“交换”：主机移出一位的同时从机移入一位。因此读操作通常需要先发送寄存器地址（或命令），再发送空字节以产生时钟，从而读回数据。以常见的“读寄存器”为例：

// 以 STM32 HAL 为例，读取 SPI 传感器寄存器
uint8_t spi_read_reg(uint8_t reg)
{
    uint8_t tx[2] = { reg | 0x80, 0x00 };  // bit7=1 表示读
    uint8_t rx[2] = { 0 };

    HAL_GPIO_WritePin(CS_PORT, CS_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 拉低片选
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, tx, rx, 2, 100);    // 全双工交换
    HAL_GPIO_WritePin(CS_PORT, CS_PIN, GPIO_PIN_SET);   // 拉高片选

    return rx[1];  // 第二个字节为从机返回的数据
}

写寄存器时通常将地址最高位清零，并直接发送数据字节。注意：HAL 库的 HAL_SPI_TransmitReceive 会同时收发，因此接收缓冲区必须有效，否则读回数据丢失。

五、常见 SPI 传感器与场景

ICM-42688-P / BMI088：高性能 6 轴 IMU，SPI 速率可达 24 MHz，Mode 0 或 Mode 3，飞控姿态解算核心。
MS5611 / BMP388：气压计，SPI 读取压力与温度，用于高度估计。
ICM-20948：9 轴 IMU，含磁力计，SPI 访问内部 DMP。
W25Qxx：SPI NOR Flash，用于飞控日志存储，Mode 0/3。
SD 卡：SPI 模式，用于黑匣子日志，Mode 0。

常见误区：① 主从模式不一致导致读回全 0；② CS 未拉低或拉低后未等待建立时间；③ 多从机共享 MISO 时未将从机 MISO 配置为高阻，造成总线冲突；④ 时钟速率超过从机上限导致数据偶发错误；⑤ 菊花链中误以为可随机访问某一级。排障时应先用逻辑分析仪抓取 SCLK、MOSI、MISO、CS 四线波形，确认模式、片选与数据位序。

六、复盘与工程建议

在飞控工程中，SPI 驱动的稳定性往往决定姿态解算的可靠性。建议遵循以下实践：

初始化时先读取 WHO_AM_I 寄存器，确认器件在线与模式正确。
将 CS 引脚配置为推挽输出并默认拉高，避免上电误选中。
根据数据手册设置时钟分频，先低速验证，再逐步提高。
多从机时确保 MISO 共享总线上只有一个从机驱动，其余为高阻。
使用 DMA 或中断方式传输，避免阻塞主循环影响控制周期。
逻辑分析仪是排障首选工具，重点观察 CS 与第一个时钟边沿的关系。

掌握 SPI 的物理层、四种模式、片选拓扑与读写时序后，再结合具体传感器的寄存器手册，即可快速完成飞控传感器驱动的移植与调试。