基于QCA7000芯片的SPIUART驱动开发

一、硬件接口配置

1. SPI接口配置（模式3）

// SPI参数定义
#define SPI_MODE            SPI_MODE_3  // CPOL=1, CPHA=1
#define SPI_BAUDRATE_PRESCALER 256      // 72MHz/(256+1)=281.25kHz
#define SPI_DATA_SIZE        SPI_DATASIZE_8BIT
#define SPI_TIMEOUT_MS       1000

// GPIO引脚映射
#define QCA7000_SPI_SCK    GPIO_PIN_5
#define QCA7000_SPI_MISO   GPIO_PIN_6
#define QCA7000_SPI_MOSI   GPIO_PIN_7
#define QCA7000_SPI_CS     GPIO_PIN_4

2. UART接口配置

// UART参数定义
#define UART_BAUDRATE       115200
#define UART_WORD_LENGTH    UART_WORDLENGTH_8D
#define UART_STOP_BITS      UART_STOPBITS_1
#define UART_PARITY         UART_PARITY_NO
#define UART_FLOW_CONTROL   UART_HWCONTROL_NONE

// 硬件流控制引脚
#define UART_CTS_PIN        GPIO_PIN_0
#define UART_RTS_PIN        GPIO_PIN_1

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二、驱动核心代码实现

1. SPI驱动模块

#include "stm32f1xx_hal.h"

SPI_HandleTypeDef hspi1;

void QCA7000_SPI_Init() {
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;  // CPOL=1
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;       // CPHA=1
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATE_PRESCALER;
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

// SPI读写函数
HAL_StatusTypeDef QCA7000_SPI_Transceive(uint8_t *txData, uint8_t *rxData, uint16_t Size) {
    return HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txData, rxData, Size, SPI_TIMEOUT_MS);
}

// 寄存器读操作
uint8_t QCA7000_SPI_ReadReg(uint8_t regAddr) {
    uint8_t txBuf[2] = {0x03, regAddr};  // 读命令格式：03 + 寄存器地址
    uint8_t rxBuf[2] = {0};
    
    HAL_GPIO_WritePin(QCA7000_SPI_CS_GPIO_Port, QCA7000_SPI_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txBuf, rxBuf, 2, SPI_TIMEOUT_MS);
    HAL_GPIO_WritePin(QCA7000_SPI_CS_GPIO_Port, QCA7000_SPI_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    
    return rxBuf[1];
}

// 寄存器写操作
HAL_StatusTypeDef QCA7000_SPI_WriteReg(uint8_t regAddr, uint8_t value) {
    uint8_t txBuf[2] = {0x02, regAddr};  // 写命令格式：02 + 寄存器地址
    return HAL_SPI_Transmit(&hspi1, txBuf, 2, SPI_TIMEOUT_MS);
}

2. UART驱动模块

UART_HandleTypeDef huart2;

void QCA7000_UART_Init() {
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = UART_BAUDRATE;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORD_LENGTH;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOP_BITS;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY;
    huart2.Init.HwFlowCtl = UART_FLOW_CONTROL;
    HAL_UART_Init(&huart2);
}

// 带硬件流控制的发送函数
HAL_StatusTypeDef QCA7000_UART_SendWithFlowCtrl(uint8_t *pData, uint16_t Size) {
    return HAL_UART_Transmit(&huart2, pData, Size, 1000);
}

// 中断接收处理
void USART2_IRQHandler() {
    HAL_UART_IRQHandler(&huart2);
    
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart2, UART_FLAG_RXNE)) {
        uint8_t data = HAL_UART_Receive(&huart2, &rxBuffer, 1, 0);
        // 处理接收数据
    }
}

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三、协议解析与数据交互

1. SPI命令结构

// 命令格式示例（参考QCA7000_SPI_UART_Protocol_v5.pdf）
typedef struct {
    uint8_t cmd;      // 命令字（如0x01读寄存器）
    uint8_t addr;     // 寄存器地址
    uint8_t data[4];  // 数据字段
    uint8_t crc;      // CRC校验
} QCA7000_SPI_Cmd;

// CRC16计算函数
uint16_t QCA7000_CalculateCRC(uint8_t *data, uint16_t len) {
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    for (int i=0; i<len; i++) {
        crc ^= (uint16_t)data[i] << 8;
        for (int j=0; j<8; j++) {
            if (crc & 0x8000) crc = (crc << 1) ^ 0x1021;
            else crc <<= 1;
        }
    }
    return crc;
}

2. 数据帧解析流程

sequenceDiagram
    participant MCU
    participant QCA7000
    MCU->>QCA7000: 发送命令帧（0x01 + 地址 + 数据）
    QCA7000->>MCU: 返回状态字（0x00表示成功）
    MCU->>QCA7000: 读取数据帧（0x03 + 地址 + 数据 + CRC）
    QCA7000-->>MCU: 硬件流控制确认（RTS/CTS）

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四、中断处理与DMA优化

1. SPI DMA配置

void QCA7000_SPI_DMA_Init() {
    DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx;
    DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx;

    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

    hdma_spi1_tx.Instance = DMA1_Channel2;
    hdma_spi1_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
    hdma_spi1_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_spi1_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_spi1_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_spi1_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_spi1_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_tx);

    HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, txBuffer, dataSize);
}

2. UART流控制管理

void QCA7000_UART_FlowControl(bool enable) {
    if (enable) {
        HAL_GPIO_WritePin(UART_CTS_GPIO_Port, UART_CTS_Pin, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(UART_RTS_GPIO_Port, UART_RTS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(UART_CTS_GPIO_Port, UART_CTS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(UART_RTS_GPIO_Port, UART_RTS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    }
}

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五、调试与测试方案

1. 逻辑分析仪捕获示例

Time  | SPI信号          | UART信号
-------------------------------------
0μs   | SCK:0 → MOSI:0x02
1μs   | SCK:1 → MOSI:0x03
2μs   | SCK:0 → MISO:0x01
3μs   | SCK:1 → MISO:0xA5

2. 自动化测试脚本

import serial
import spidev

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)
spi.max_speed_hz = 281250

uart = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 115200, timeout=1)

def test_spi_write_read():
    spi.xfer2([0x02, 0x10, 0x55])  # 写入0x10寄存器0x55
    response = spi.xfer2([0x03, 0x10, 0x00])
    assert response[2] == 0x55

def test_uart_handshake():
    uart.write(b'AT+STATUS\r\n')
    response = uart.read_until(b'\r\n')
    assert response == b'OK\r\n'

参考代码 用于QCA7000串行到电力线芯片的SPI/UART驱动程序 www.youwenfan.com/contentcsr/103365.html

六、性能优化

1. SPI时钟优化

   • 根据线缆长度调整时钟频率（最长1米建议≤1MHz）

   • 启用SPI CRC校验（需配置CRC多项式0x1021）

2. UART缓冲管理

   #define UART_RX_BUFFER_SIZE 256
   volatile uint8_t uart_rx_buffer[UART_RX_BUFFER_SIZE];
   volatile uint16_t uart_rx_index = 0;
   
   void USART2_IRQHandler() {
       if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart2, UART_FLAG_RXNE)) {
           uart_rx_buffer[uart_rx_index++] = HAL_UART_Receive(&huart2, &data, 1, 0);
           if (uart_rx_index >= UART_RX_BUFFER_SIZE) uart_rx_index = 0;
       }
   }

3. 低功耗模式

   // 进入SPI低功耗模式
   HAL_SPI_Disable(&hspi1);
   HAL_GPIO_WritePin(QCA7000_SPI_CS_GPIO_Port, QCA7000_SPI_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
   
   // 唤醒操作
   HAL_GPIO_WritePin(QCA7000_SPI_CS_GPIO_Port, QCA7000_SPI_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
   HAL_SPI_Enable(&hspi1);

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七、完整工程配置

1. STM32CubeMX配置

   • 启用SPI1和USART2外设

   • 配置NVIC中断优先级（SPI中断>UART中断）

   • 使能DMA控制器（通道2用于SPI传输）

2. Makefile编译选项

   CC = arm-none-eabi-gcc
   CFLAGS = -mcpu=cortex-m3 -mthumb -O2 -Iinc -Isrc
   LDFLAGS = -TSTM32F103C8Tx_FLASH.ld -specs=nosys.specs
   
   all: main.elf
   
   main.elf: main.o spi_driver.o uart_driver.o
   	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^ $(LDFLAGS)

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八、常见问题解决方案

现象	诊断方法	解决方案
SPI通信失败	逻辑分析仪显示时钟频率异常	检查SPI预分频配置
UART数据丢失	接收缓冲区溢出标志置位	增加DMA双缓冲机制
CRC校验错误	对比主机/从机计算结果	验证多项式0x1021实现