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

4（0~4）

5（0~5）

6（0~6）

7（0~7）

o-0

7.5周期

8.5周期

9.5周期

10.5周期

o-1

6.8周期

7.8周期

8.8周期

9.8周期

o-2

6.7周期

7.7周期

8.7周期

9.7周期

o-3

7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 1，TIxFP 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->Instance==SPI_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SPI+DMA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CPOL=0,CPHA=0

①. 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。

# stm32 # c语言 # 嵌入式硬件
Logo
AI硬件创业社区

智能硬件社区聚焦AI智能硬件技术生态，汇聚嵌入式AI、物联网硬件开发者，打造交流分享平台，同步全国赛事资讯、开展 OPC 核心人才招募，助力技术落地与开发者成长。

更多推荐

cover

6.6.多节点安全监护仪-WiFi-基于STM32单片机物联网设计【硬件+APP+云平台】

avatar AI硬件创业社区
cover

【单片机毕业设计】基于 STM32/51 单片机的 AI 语音智能垃圾分类桶设计与实现，基于 SU-03T 语音识别模块的自动分类垃圾桶控制系统开发（025101）

avatar AI硬件创业社区
cover

基于STM32单片机语音识别智能垃圾桶无线APP视频监控设计DIY170

avatar AI硬件创业社区