一、前言对于目前市面上众多的液晶屏来讲串口屏是个具有相当规模的存在其中采用QSPI/SPI的串口屏当中又有相当数量具有D/C引脚负责辅助屏幕控制器快速实施帧解析。传统手段是软件手动进行D/C切换代码结构一般如下所示。void ScreenFrameSend(void) { CS(0); DC(0); Spi_Send_cmd(xx); DC(1); Spi_Send_data(xx); CS(1); }有些屏幕的控制器对于时序的要求可能会比较严格而上述代码结构不可避免地引入时钟空闲即Spi_Send_cmd 和 Spi_Send_data 是两次独立的发送SPI总线时钟会在两次发送过程中出现空闲这个间隙如果以可容纳的SPI时钟个数来衡量在几个到几十个不等空闲时钟数的多少很大程度上取决于当时的SPI时钟速率速率越高空闲的时钟个数越大。即便我们摒弃HAL库的冗长、效率低下的写法直接用寄存器操作重写上述代码还是不能从根本上消除这个间隙。本质上这是软件级别的响应即使是将DC的切换放置于发送完成中断当中处理也会由于入栈出栈而存在不可消除的时钟空闲。如果采用SPI的DMA发送则会面临D/C切换的时机把控问题切换时机不正确的话屏幕端的帧解析就会失败导致显示异常而无论是软件手动切换还是中断响应切换对于整帧DMA发送的场景都是极不可靠的。基于此我尝试探索实现SPI连续发送下的硬件级别的D/C切换的可靠方案。MCU型号STM32L496VGT6开发环境Keil5 MDK5.40 AC5.06 update7 build 960配置工具STM32CubeMX v6.18支持包版本STM32CubeL4 Firmware Package V1.18.2 / 14-November-2025二、方案论证在STM32上SPI接口均无配套的D/C切换引脚和状态机要想实现硬件级别的响应必须另寻出路。而定时器就是一个很好的硬件状态记录和翻转的工具可以输入的同时实施硬件输出响应。这里选用TIM2让SPI时钟引入TIM2作为其计数时钟并根据计数产生比较输出用于D/C输出。三、实施细节1. 定时器的配置从完整的串口屏一般的SPI帧结构来看首字节往往是指令字节后续字节如果存在的话是参数字节或者是显存数据字节。D/C的切换要及时发生在首字节传输完成之后次字节发送之前如果以SPI时钟作为标尺那么D/C切换时机就应该在8个SPI时钟周期之后第9个时钟周期完成之前。对于TIM2来说它的时钟源可以是内部时钟也可以是来自MCU片外时钟它的TIM2_ETR引脚就被用来引入外部时钟当然了TIM2_CHx的TI1FP1/TI2FP2也可以引入外部时钟且经常被用来测量PWM脉宽但是经过实际测试发现如果从TIM2_CHx引入SPI时钟则会出现D/C翻转时机延迟现象即D/C的实际翻转时机要延迟于理论时机延迟的时钟周期数根据SPI时钟速率大小和编译器优化等级不同而不同我经过小范围测试得出了一个表格如下所示。TIM计数上限值优化等级40~450~560~670~7o-07.5周期8.5周期9.5周期10.5周期o-16.8周期7.8周期8.8周期9.8周期o-26.7周期7.7周期8.7周期9.7周期o-37周期8周期9周期9.9周期可以看出通过TIMx_CH的TI1FP1/TI2FP2引入时钟计数是会存在较为严重的延迟而且上述表格内的结果还是在80Mhz主频的64分频即1.25Mhz的SPI时钟下得到的事实上如果将SPI主频拉高至32分频即2.5Mhz及以上时延迟会增大至4个SPI时钟以上这是完全不可接受的。至于延迟产生的原因豆包给出的解答如下“STM32L4 TIM 外部时钟模式 1TIxFP 信号进入从模式同步逻辑存在同步锁存延迟计数到达 Pulse 匹配值不会立刻翻转 OC要再等 1~3 个外部脉冲采样同步不是代码 / 编译器问题是 TIM 从模式硬件同步链固有流水线延迟。”这里有限于我的水平我给不出明确准确解答也无法对豆包的说法给出看法。大神们如果有不同见解希望留言讨论在此感谢先排除掉TIMx_CH的TI1FP1/TI2FP2输入时钟方案对于定时器就还有一个途径 -- TIMx_ETR。这也是一个被设计用于定时器输入外部时钟或者触发信号的途径。TIM2的ETR有两种模式分别为ETR模式1和ETR模式2。这两种模式的流程框图分别如下原谅我偷懒从RM0432中文版上截取并非RM0351在这里选用ETR模式2来引入SPI时钟。由于是原理验证滤波参数就不做设置了在实际工程中滤波参数的调教还需根据具体情况具体操作。分频系数我们也不设置即不分频。以下是STM32CubeMX的配置界面这里有几个小问题要说明首先是红框内你一定看到的是0xFFFFFFFF对应的十进制数但事实上这里的配置项能写入的值最大是0xFFFF。这个值是被写入TIMx_ARR寄存器的而TIM2_ARR寄存器到底是高16位有效还是全32位有效这一点在HAL源码和芯片手册的表述不一致。为了安全起见我这里填写的最大值选择0xFFFF如果能够支持0xFFFFFFFF那么还能简化一部分后续的操作。第二个小问题是蓝框内的可选项没有PWM模式选择可以在生成代码后在代码里更改参数配置项。TIM2的配置代码如下void MX_TIM2_Init(void) { TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig {0}; TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig {0}; TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC {0}; htim2.Instance TIM2; htim2.Init.Prescaler 0; htim2.Init.CounterMode TIM_COUNTERMODE_UP; htim2.Init.Period 0xFFFF; htim2.Init.ClockDivision TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim2.Init.AutoReloadPreload TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; if (HAL_TIM_Base_Init(htim2) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig {0}; sClockSourceConfig.ClockSource TIM_CLOCKSOURCE_ETRMODE2; // 定时器时钟源ETR2模式2 sClockSourceConfig.ClockPolarity TIM_CLOCKPOLARITY_NONINVERTED; // 时钟不取反 sClockSourceConfig.ClockPrescaler TIM_CLOCKPRESCALER_DIV1; // 不分频 sClockSourceConfig.ClockFilter 0; // 不滤波 if (HAL_TIM_ConfigClockSource(htim2, sClockSourceConfig) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } if (HAL_TIM_OC_Init(htim2) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } sMasterConfig.MasterOutputTrigger TIM_TRGO_RESET; sMasterConfig.MasterSlaveMode TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(htim2, sMasterConfig) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } sConfigOC.OCMode TIM_OCMODE_PWM1; // 比较输出用PWM模式1 sConfigOC.Pulse 8; // 注意这里不是7而是8对应8次上升沿 sConfigOC.OCPolarity TIM_OCPOLARITY_LOW; // 很重要D/C时序总是从低电平开始。 sConfigOC.OCFastMode TIM_OCFAST_DISABLE; if (HAL_TIM_OC_ConfigChannel(htim2, sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } HAL_TIM_MspPostInit(htim2); HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 0, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn); }这里需要注意的是要开启TIM2的全局中断并将其优先级设置高一些至少要高于SPI的DMA中断优先级。2. 比较中断的处理在每一次的SPI时钟上升沿被输入TIM2_ETR引脚后TIM2计数器都会加1直至与预设比较值相等触发比较中断/事件。与此同时在硬件端比较输出通道会在此时拉高电平事实是PWM的占空比翻转前8个上升沿保持预设低电平达到预设比较值后反转为高电平直至htim2.Init.Period的预设计数最大值。 而在比较中断处理中我们需要处理一些不那么紧迫但是必不可少的事务代码如下/* 定时器比较事件回调 */ void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if (htim-Instance TIM2) { flg_FirstByteSended 1; // 首字节8个时钟计数完成置标志 //2.切换成普通输出模式固定高电平后面海量SCLK周期保持高电平 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct {0}; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin GPIO_PIN_5; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; HAL_GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStruct); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, pinState); //1.关闭CH1输出TIM放弃对引脚控制 HAL_TIM_OC_Stop_IT(htim, TIM_CHANNEL_1); } }上述代码的意义在于D/C虽然在正确的时机被从低电平切换为高电平但是D/C还必须保持高电平直至完整帧传输完毕即CS拉高释放总线后D/C才可以回归低电平。但是由于htim2.Init.Period的最大值只能被配置为0xFFFF而对于一款320*820的RGB565屏幕来说DMA发送一屏完整帧的时钟数量至少是320*820*2*8 8。这远大于0xFFFF为了确保D/C引脚能够无视这个最大值上限在这里需要进行接力 -- 重新配置PA5我这里用了PA5为普通输出模式断开与TIM2的复用映射然后将其手动拉高。注意这里必须先断开与TIM2的复用映射否则直接操作BSRR寄存器是无效的。3. SPI的初始化配置SPI可以配置为DMA发送模式这样比较节省CPU资源且时序比较紧凑。初始化代码如下void MX_SPI2_Init(void) { SPI_Handle_Screen.Instance SPI2; SPI_Handle_Screen.Init.Mode SPI_MODE_MASTER; SPI_Handle_Screen.Init.Direction SPI_DIRECTION_2LINES; SPI_Handle_Screen.Init.DataSize SPI_DATASIZE_8BIT; SPI_Handle_Screen.Init.CLKPolarity SPI_POLARITY_LOW; SPI_Handle_Screen.Init.CLKPhase SPI_PHASE_1EDGE; SPI_Handle_Screen.Init.NSS SPI_NSS_SOFT; SPI_Handle_Screen.Init.BaudRatePrescaler SPI_BAUD_PCLK_PRESCALER; //时钟分频大家自行设定 SPI_Handle_Screen.Init.FirstBit SPI_FIRSTBIT_MSB; SPI_Handle_Screen.Init.TIMode SPI_TIMODE_DISABLE; SPI_Handle_Screen.Init.CRCCalculation SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; SPI_Handle_Screen.Init.CRCPolynomial 7; SPI_Handle_Screen.Init.CRCLength SPI_CRC_LENGTH_DATASIZE; SPI_Handle_Screen.Init.NSSPMode SPI_NSS_PULSE_DISABLE; if (HAL_SPI_Init(SPI_Handle_Screen) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } } void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef* spiHandle) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct {0}; if(spiHandle-InstanceSPI_SCREEN) { /* SPI2 clock enable */ __HAL_RCC_SPI2_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); /**SPI2 GPIO Configuration PB13 ------ SPI2_SCK PB15 ------ SPI2_MOSI */ GPIO_InitStruct.Pin GPIO_PIN_SPI_SCLK|GPIO_PIN_SPI_MOSI; // MOSI SCLK GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Pull GPIO_PULLUP; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; GPIO_InitStruct.Alternate GPIO_AF_SPI2; HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT_SPI_SCLK, GPIO_InitStruct); GPIO_InitStruct.Pin GPIO_PIN_SPI_CS; //CS GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_FREQ_LOW; HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT_SPI_CS, GPIO_InitStruct); /* SPI2 DMA Init */ /* SPI2_TX Init */ DAM_Handle_SPI_MOSI.Instance DMA_CHANNEL_SPI2_TX; DAM_Handle_SPI_MOSI.Init.Request DMA_REQUEST_1; DAM_Handle_SPI_MOSI.Init.Direction DMA_MEMORY_TO_PERIPH; DAM_Handle_SPI_MOSI.Init.PeriphInc DMA_PINC_DISABLE; DAM_Handle_SPI_MOSI.Init.MemInc DMA_MINC_ENABLE; DAM_Handle_SPI_MOSI.Init.PeriphDataAlignment DMA_PDATAALIGN_BYTE; DAM_Handle_SPI_MOSI.Init.MemDataAlignment DMA_MDATAALIGN_BYTE; DAM_Handle_SPI_MOSI.Init.Mode DMA_NORMAL; DAM_Handle_SPI_MOSI.Init.Priority DMA_PRIORITY_LOW; if (HAL_DMA_Init(DAM_Handle_SPI_MOSI) ! HAL_OK) { Error_Handler(); } __HAL_LINKDMA(spiHandle,hdmatx,DAM_Handle_SPI_MOSI); HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel5_IRQn, 3, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel5_IRQn); } }4. SPI的DMA发送完成中断当完整一帧通过SPIDMA发送完后触发发送完成中断。在中断处理中我们需要完成一些事务代码入下/* SPI发送完成中断服务 调用过程 【用户APP代码使用DMA 从RAM将数据发送至SPIx_TX】: 调用 【 HAL_SPI_Transmit_DMA() 】: 调用 【SPI_DMATransmitCplt()】: 调用 【HAL_SPI_TxCpltCallback()】 在本中断服务中意味着数据发送完毕可以调用【HAL_SPI_DMAStop()】 停止 SPI的 DMA传输任务。 调用过程 【HAL_SPI_DMAStop()】: 调用 【HAL_DMA_Abort()】: 清除寄存器中的相关中断标识位 关闭DMA中断 关闭DMA 重置DMA状态为 HAL_DMA_STATE_READY 。 */ void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) { if(hspi-Instance SPI2) { // 释放片选引脚 CS 注意 在调用 HAL_SPI_Transmit_DMA() 开始传输前先操作片选引脚 SPI_CS_OFF; // 拉高CS释放SPI总线 flg_FirstByteSended 0; // 首字节发送完毕标识归零等待下一次帧发送 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct {0}; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin GPIO_PIN_5; GPIO_InitStruct.Mode GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Pull GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; GPIO_InitStruct.Alternate GPIO_AF1_TIM2; HAL_GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStruct); // 切换回复用模式还给TIM控制 HAL_TIM_OC_Start_IT(htim2, TIM_CHANNEL_1); // 开启OC输出为下一帧SPI做好准备 } }5. SPI的DMA发送有了上述的铺垫这里就可以编写基于DMA的SPI发送函数用于发送一个完整帧兼容单字节无参指令、多参数指令以及显存更新帧。代码如下//每次发送一帧显存前调用 void SPI_Send_Frame(uint8_t *pData, uint16_t len) { SPI_CS_ON; // 拉低片选CS __HAL_TIM_SET_COUNTER(htim2, 0); //计数器清零这步不可缺少。 HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_Handle_Screen, pData, len); // 调用HAL库DMA发送 }6. 时序的验证以上内容组合起来后需要运行来验证。在Main()函数中的前置内容和调用如下所示int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_DMA_Init(); MX_SPI2_Init(); MX_TIM2_Init(); HAL_TIM_OC_Start_IT(htim2, TIM_CHANNEL_1); __HAL_TIM_SET_COUNTER(htim2,0); HAL_TIM_Base_Start_IT(htim2); //启动计数器 while (1) { if (Counter_1ms 1000) { Counter_1ms 0; SPI_Send_Frame(SPI_ByteArray, 2); } } }发送帧内容为{0xAA, 0x55}。运行后我们可以在示波器上利用触发来观察时序是否满足我们的需求。SPI_SCLK与SPI_MOSI的时序关系如下图所示。其中SPI的时钟被设定为CPOL0,CPHA0①. SPI_SCLK 与 D/C 的时序关系如下图所示可以看到D/C信号在第8个上升沿之后第9个上升沿到来前拉高。PS这里存在微弱的延迟并且这个延迟也会随着SPI时钟速率的提高而增大但是经过测试当SPI时钟提升至10Mhz时时钟延迟也就只有0.5T属于可以接受范畴。②. SPI_SCLK 与 CS 的时序关系如下图所示可以看出由于采用了软件CS所以总线的启动和释放都存在一定的延迟。③. CS 与 D/C 的时序关系如下图所示其中黄色波形为CS信号绿色信号为D/C信号。可以看出D/C信号在CS信号拉低后紧跟着拉低在D/C完成切换后直到CS释放都一直保持为高电平直至下一次发送的开始。四、方案总结以上的探索可以说达成了目的目前这个机制已经可以满足 SPI屏幕的时序流程1. D/C 引脚在 CS 拉低后紧接着拉低。2. 在 D/C 拉低后SPI 时钟才会到来。3. D/C 在可配置的时钟数之后略有延迟地切换为高电平且爬升过程非常短暂。4. D/C 引脚在拉高后持续保持高电平直至下一次通信流程开始后的步骤 “1”。以上完成了 D/C 引脚在整个通信帧从起始到结束的整个流程的测试测试 SPI 时钟速率在 10Mhz也可以适配。TIMx_ETR方案稳定可靠时机准确没有异常跳变。五、工程应用的讨论上述探索还只是基于STM32L496VGT6核心板 飞线的简陋环境面对较高的SPI时钟在STM32L4家族上SPI最大时钟可以被配置到20Mhz,SPI_SCLK和SPI_MOSI的信号畸变对于TIMx_ETR和屏幕端的信号采样会带来风险我的建议是在总线上串入缓冲器选用型号为德州仪器的 SN74LVC1G17DCKR 其高速特性完全可以满足此处的用途其延迟特性处于可接受范围。六、结语进行这个探索是为了尽可能地提高SPI串口屏的传输效率减小软件手动切换D/C带来的空闲浪费。本人水平有限还希望与大家多多交流互通有无。
