STM32 Nucleo L432KC 和 MAX31865 ADC 之间通信的 SPI 额外时钟周期

Question

我正在使用的设置是连接到 8 个不同的 MAX31865 ADC 的 Nucleo L432KC，以从 RTD（电阻热器件）获取温度读数。 8 个片选中的每一个都连接到自己的引脚，但所有芯片的 SDI/SDO 都连接到同一总线，因为我一次只读取一个（一次仅启用 1 个片选）。目前，我在开尔文连接中使用 100 欧姆基极电阻，而不是 RTD，只是为了确保准确的电阻读数。 RTD 的读取来自调用函数 rtd.read_all()。当我从一个且仅有一个 RTD 读取数据时，我得到了准确的读数和准确的 SPI 波形（粘贴在下面）：

正确读取 1 个 ADC 的 SPI 读数 （黄色是芯片使能，绿色是时钟，蓝色是味噌，紫色是莫西）

但是，当我顺序读取2个或更多时，SPI时钟由于某种原因在读取开始时获得了额外的不需要的周期，从而导致了传输的值。它具有将时钟向右移动并将电阻值向左位移 1 的效果。

逻辑分析仪读取SPI；时钟在开始时有额外的周期

是什么导致了这个额外的时钟周期？我正在使用 mbed 用 C++ 进行编程。我可以访问 SPI.h 文件，但看不到实现，因此我不确定是什么导致了开始时出现这个额外的时钟周期。如果我也需要添加代码，请告诉我，我将编辑/评论。

rtd.read_all() 函数：

uint8_t MAX31865_RTD::read_all( )
{
  uint16_t combined_bytes;

  //SPI clock polarity/phase (CPOL & CPHA) is set to 11 in spi.format (bit 1 = polarity, bit 0 = phase, see SPI.h)
  //polarity of 1 indicates that the SPI reading idles high (default setting is 1; polarity of 0 means idle is 0)
  //phase of 1 indicates that data is read on the first edge/low-to-high leg (as opposed to phase 0,
  //which reads data on the second edge/high-to-low transition)
  //see https://deardevices.com/2020/05/31/spi-cpol-cpha/ to understand CPOL/CPHA

  //chip select is negative logic, idles at 1
  //When chip select is set to 0, the chip is then waiting for a value to be written over SPI
  //That value represents the first register that it reads from
  //registers to read from are from addresses 00h to 07h (h = hex, so 0x01, 0x02, etc)
  //00 = configuration register, 01 = MSBs of resistance value, 02 = LSBs of
  //Registers available on datasheet at https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX31865.pdf
  //The chip then automatically increments to read from the next register

  /* Start the read operation. */
  nss = 0; //tell the MAX31865 we want to start reading, waiting for starting address to be written
  /* Tell the MAX31865 that we want to read, starting at register 0. */
  
  
  spi.write( 0x00 ); //start reading values starting at register 00h

  /* Read the MAX31865 registers in the following order:
       Configuration (00)
       RTD (01 = MSBs, 02 = LSBs)
       High Fault Threshold (03 = MSBs, 04 = LSBs)
       Low Fault Threshold (05 = MSBs, 06 = LSBs)
       Fault Status (07) */
    
    this->measured_resistance = 0;

  this->measured_configuration = spi.write( 0x00 ); //read from register 00
    //automatic increment to register 01
  combined_bytes  = spi.write( 0x00 ) << 8; //8 bit value from register 01, bit shifted 8 left
    //automatic increment to register 02, OR with previous bit shifted value to get complete 16 bit value
  combined_bytes |= spi.write( 0x00 );
  //bit 0 of LSB is a fault bit, DOES NOT REPRESENT RESISTANCE VALUE
  //bit shift 16-bit value 1 right to remove fault bit and get complete 15 bit raw resistance reading
  this->measured_resistance = combined_bytes >> 1;
    //high fault threshold
  combined_bytes  = spi.write( 0x00 ) << 8;
  combined_bytes |= spi.write( 0x00 );
  this->measured_high_threshold = combined_bytes >> 1;
    //low fault threshold
  combined_bytes  = spi.write( 0x00 ) << 8;
  combined_bytes |= spi.write( 0x00 );
  this->measured_low_threshold = combined_bytes >> 1;
    //fault status
  this->measured_status = spi.write( 0x00 );

    //set chip select to 1; chip stops incrementing registers when chip select is high; ends read cycle
  nss = 1;

  /* Reset the configuration if the measured resistance is
     zero or a fault occurred. */
  if(    ( this->measured_resistance == 0 )
      || ( this->measured_status != 0 ) )
  {
    //reconfigure( );
    // extra clock cycle causes measured_status to be non-zero, so chip will reconfigure even though it doesn't need to. reconfigure commented out for now.
  }

  return( status( ) );
}

Answer 1

背景：

我查看了 MAX31865_RTD 类的整个实现，我发现“麻烦”的是 MAX31865_RTD 实例在构造时创建自己的 SPI 实例。如果您创建该 MAX31865_RTD 类的多个实例，则将为每个实例创建并初始化一个单独的 SPI 实例。

如果您有 8 个这样的芯片，并创建 8 个独立的 MAX31865_RTD 实例来为每个芯片提供一个实例，那么这也会创建 8 个 SPI 实例，它们都指向微控制器的同一物理 SPI 设备。

问题：

当您在 MAX31865_RTD 实例上调用 read_all 函数时，它会依次调用 SPI 写入函数（如您提供的代码中所示）。但深入挖掘调用链，您最终会发现 SPI 写入方法（以及其他方法）的代码是以假设可以有多个 SPI 实例使用具有不同参数的相同 SPI 硬件的方式编写的（频率、字长等）。为了实际使用 SPI 硬件，SPI 类实例必须首先获得硬件的所有权（如果尚未拥有该硬件）。为此，它会“获取”自身硬件，这基本上意味着它将 SPI 硬件重新配置为该特定 SPI 实例设置的频率、字长和模式（无论每个实例都设置为他们彼此不了解。他们只是看到他们已经失去了所有权，因此必须重新获得它，并且他们也自动假设要恢复设置。）。这种频率（=时钟）重新初始化是您的时钟出现奇怪的人工制品/故障的原因。每次在不同的 MAX31865_RTD 实例上调用 read_all 时，该实例的 SPI 实例都必须执行获取操作（因为它们在每次 read_all 调用时相互窃取所有权），这会使时钟表现得很奇怪。

为什么它在您只有一台设备时有效：

因为当您只有一个 MAX31865_RTD 实例时，它就只有一个 SPI 实例，它是 SPI 硬件的唯一“所有者”。因此，没有人在每一回合窃取所有权。这意味着它不必在每次 read_all 调用时重新获取它。因此，在这种情况下，SPI 硬件不会每次都重新初始化。所以你不会得到奇怪的时钟脉冲，一切都会按预期工作。

我建议的解决方案#1：

我建议您更改 read_all 方法的实现。
如果您使用的 SPI 类版本具有 select 方法，则

spi.select();

在将片选 (nss) 拉低之前添加该行。基本上添加此块上方的行：

/* Start the read operation. */
nss = 0;

如果没有选择功能，则只需

spi.write(0x00);

在同一位置添加一行而不是带有选择的行。

本质上，所提议的两条线只是在片选线被断言之前强制采集（以及伴随的时钟毛刺）。因此，当片选被拉低并且实际数据被写入时，SPI 实例已经拥有所有权，并且写入方法将不会触发获取（也不会触发时钟毛刺）。

我建议的解决方案#2：

另一个解决方案是修改 MAX31865_RTD 类以使用 SPI 实例引用，并通过其构造函数提供该引用。这样，您就可以显式创建一个 SPI 实例，并在构建时向所有 MAX31865_RTD 实例提供相同的 SPI 实例。现在，由于所有 MAX31865_RTD 实例都使用对同一且唯一 SPI 实例的引用，因此 SPI 硬件所有权永远不会改变，因为只有一个 SPI 类实例正在使用它。因此，硬件永远不会重新配置，故障也永远不会发生。我更喜欢这个解决方案，因为它不是一个解决方法。

我提出的解决方案#3：

您还可以修改 MAX31865_RTD 类，为 nss（= 芯片选择）引脚提供一个“设置器”。这样，您的所有 8 个器件就可以只有一个 MAX31865_RTD 实例，并且在寻址下一个器件之前仅更改 nss 引脚。由于只有一个 MAX31865_RTD 实例，因此也只有一个 SPI 实例，这也解决了所有权问题，并且由于无需重新获取，因此不会触发任何故障。

当然，在了解问题原因的情况下，还可以通过多种其他方法来解决此问题。

希望这有助于解决您的问题。