STM32F105XX SPI与I2C通信：高效数据传输的6大技巧


# 摘要
本文旨在探讨STM32F105XX微控制器的通信技巧和优化方法，涵盖SPI和I2C两种常用通信协议。首先，介绍了STM32F105XX的基础知识与通信原理，然后深入分析了SPI和I2C通信中的优化技巧，包括DMA技术、中断服务程序优化、时钟拉伸处理等。通过实践案例，展示了这些技术在系统设计中的应用，如高速数据采集和多从设备管理。进一步，探讨了混合使用SPI与I2C的高效策略，包括选择合适的通信模式、构建软件抽象层以及性能优化。最后，本文对STM32F105XX通信系统的扩展性、兼容性与安全性以及性能评估进行了讨论，并对未来通信技术的发展趋势提出展望。

# 关键字
STM32F105XX；SPI通信；I2C通信；DMA技术；中断优化；软件抽象层

参考资源链接：[STM32F105XX中文数据手册：32位微控制器详解](https://wenku.csdn.net/doc/64679785543f844488b8713e?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F105XX概述与通信基础

## 1.1 STM32F105XX微控制器简介

STM32F105XX系列是STMicroelectronics推出的高性能微控制器，具有丰富的外设接口和强大的处理能力，广泛应用于工业控制、医疗设备和通信等领域。这一系列微控制器的特色是具有灵活的时钟配置、高性能的运算能力以及丰富的通信接口，包括以太网、USB、CAN等。

## 1.2 STM32F105XX的通信接口概述

为了满足不同应用场景的需求，STM32F105XX集成了多种通信接口。这包括高速的全双工串行通信接口USART、SPI（串行外设接口）以及I2C（双线串行总线）。在设计硬件通信系统时，对这些接口有深入理解，并掌握它们的使用技巧，对于优化性能和保证系统稳定性至关重要。

## 1.3 通信协议基础

在深入探讨SPI和I2C通信之前，了解基本的通信协议知识是必要的。通信协议通常规定了通信过程中的电气特性和数据格式。例如，SPI协议采用主从架构，主设备控制时钟（SCK）、主出从入（MOSI）、主入从出（MISO）和片选（CS）信号。而I2C协议则使用两条线——串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），它支持多主机操作，且每个设备都拥有唯一的地址。掌握这些基础，有利于后续章节中通信技术的深入探讨和应用。

# 2. SPI通信的优化技巧

### 2.1 SPI通信原理与特点

#### 2.1.1 SPI协议的工作模式

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速的、全双工、同步的通信总线。它在主设备和一个或多个从设备之间进行通信，通过主设备的四个主要信号线进行数据传输：主出从入（MOSI）、主入从出（MISO）、时钟信号（SCLK）和片选（CS）。

SPI有四种不同的工作模式，可以通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的组合来定义，如下表所示：

| 模式 | CPOL | CPHA | 说明 |
| --- | --- | --- | --- |
| 0 | 0 | 0 | 时钟空闲时为低电平，数据在上升沿采样，在下降沿变化 |
| 1 | 0 | 1 | 时钟空闲时为低电平，数据在下降沿采样，在上升沿变化 |
| 2 | 1 | 0 | 时钟空闲时为高电平，数据在下降沿采样，在上升沿变化 |
| 3 | 1 | 1 | 时钟空闲时为高电平，数据在上升沿采样，在下降沿变化 |

在初始化SPI时，选择合适的工作模式对于通信的可靠性至关重要。

SPI_HandleTypeDef hspi1;

void SPI_Init() {
    // SPI配置结构体初始化
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 主设备模式
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 双线模式
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 数据大小为8位
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // 时钟极性
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // 时钟相位
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件片选
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256; // 波特率预分频器
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; // 数据传输从MSB开始
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; // 不使用TI模式
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; // 不使用CRC校验
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; // CRC值计算的多项式

    // 初始化SPI
    if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK) {
        // 初始化失败处理
    }
}

在这个初始化函数中，我们需要根据具体的应用场景选择SPI的工作模式，以及其他配置参数。

#### 2.1.2 SPI通信的硬件连接与初始化

SPI通信的硬件连接相对简单。主设备和从设备需要通过MOSI、MISO、SCLK和CS信号线连接，如下图所示：

flowchart LR
    A[主设备] -->|MOSI| B[从设备]
    B -->|MISO| A
    A -->|SCLK| B
    B -->|CS| A

在硬件连接完成后，接下来是初始化SPI。初始化过程包括配置GPIO引脚为SPI功能、配置SPI时钟源、配置SPI工作模式、配置SPI参数等。初始化代码在上一节已有展示。

### 2.2 提高SPI通信效率的关键技术

#### 2.2.1 DMA技术的应用

直接内存访问（DMA）是一种允许外围设备直接读写内存的技术，不需要CPU的介入。在SPI通信中使用DMA可以大大减轻CPU负担，从而提高效率。

在STM32中使用DMA传输数据的一般步骤如下：

1. 使能DMA时钟。
2. 配置DMA传输参数，包括数据源地址、数据目的地址、数据大小等。
3. 使能DMA传输完成中断。
4. 开启SPI传输中的DMA请求。
5. 在DMA传输完成中断服务函数中处理数据。

// 使能DMA时钟
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

// 配置DMA传输参数
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx;
hdma_spi1_rx.Instance = DMA1_Channel5;
hdma_spi1_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
hdma_spi1_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_spi1_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_spi1_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
hdma_spi1_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
hdma_spi1_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
hdma_spi1_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_rx);

// 使能DMA传输完成中断
HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel5_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel5_IRQn);

// 开启SPI传输中的DMA请求
__HAL_SPI_ENABLE_DMA(&hspi1, SPI_DMAUSART_RX);

// 在DMA传输完成中断服务函数中处理数据
void DMA1_Channel5_IRQHandler(void) {
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_spi1_rx);
}

void HAL_DMA搬运完成后回调函数(HAL_DMA搬运* hdma) {
    if (hdma->Instance == DMA1_Channel5) {
        // 处理接收到的数据
    }
}

使用DMA技术可以使得SPI通信在CPU不参与的情况下独立进行数据传输，这对于高速、大数据量的通信场景特别有用。

#### 2.2.2 中断服务程序的优化

在SPI通信中，中断服务程序（ISR）的效率直接影响到系统的响应时间。优化中断服务程序，减少中断响应时间，是提高系统性能的关键。

中断服务程序的优化可以从以下几个方面入手：

- 减少中断服务程序中的处理逻辑，避免执行复杂运算。
- 在不影响系统稳定性的前提下，提高中断优先级，减少中断的响应时间。
- 仅在中断服务程序中做数据的简单处理，复杂的数据处理留给非中断环境。