1.

为什么SPI速率对高精度DAC控制如此重要？

如果你玩过STM32控制一些简单的传感器或者屏幕，可能觉得SPI就是个传数据的工具，快一点慢一点好像没啥区别。

但当你需要用它来控制一个压电陶瓷片，实现纳米级的精确移动时，情况就完全不一样了。

这时候，SPI的速率就不再是一个简单的“性能参数”，而是直接决定了你的系统输出是否平稳、精度能否达标的“生命线”。

让我用一个更生活的例子来解释。

想象一下你在用一个非常精细的水龙头给一个精密的天平滴水，目标是让天平保持一个极其微妙的平衡。

水龙头开关的速度（相当于SPI的时钟速率）和你拧开关的频率（相当于SPI的数据写入速率）如果配合不好，水流就会忽大忽小，天平自然晃个不停。

我们的目标，就是让水流（电压输出）平稳得像一面镜子。

在控制DAC8814这类高精度数模转换器，特别是结合了sigma-delta调制技术来获得更高分辨率时，你向DAC“灌”数据的速度必须足够快、足够均匀。

如果后端用于平滑电压的低通滤波器参数已经固定了，那么你输入数据的速率就直接决定了最终输出的直流电压质量。

输入慢了，或者间隔不均匀，滤波器也救不了，输出波形上就会叠加明显的纹波，就像平静湖面被丢进了石子。

原始文章里那位朋友一开始用了树莓派4B，虽然把SPI时钟设到了DAC8814允许的极限50MHz，但因为树莓派不是实时系统，实际的数据写入速率只能达到每秒5万到7万次左右。

这个速率对于需要高分辨率sigma-delta调制的场景来说，太慢了。

他模拟了一下，每产生一个sigma-delta数据就要40微秒，这直接导致了输出电压波纹巨大，根本达不到理论上的1/16分辨率（对于4位sigma-delta而言）。

这就像水龙头每40毫秒才被允许动一下，水流当然是断断续续的。

所以，问题的核心就变成了：如何让STM32的SPI以最高效、最稳定的方式，把数据“喂”给DAC，从而获得一个平稳如直流的电压输出？这就是我们接下来要深入实战的SPI速率优化。

2.

理解SPI速率：时钟、数据与有效吞吐量

说到优化，我们得先搞清楚SPI速率到底指的是什么。

很多人一上来就只关心SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler这个分频系数，觉得把它设到最小，速率就最快了。

这其实是个误区，至少是不全面的。

SPI的“速率”是一个综合概念，至少包含三层意思，我们必须把它们剥开来看。

第一层是SPI时钟（SCK）的频率。

这是最基础的硬件速率，由STM32的APB总线时钟经过分频得到。

比如STM32H743的SPI挂在APB2上，时钟最高可达240MHz，如果你设置分频系数为2，那么SCK理论上就能跑到120MHz。

但请注意，这个频率不能超过你的从设备（比如我们的DAC8814）所能承受的最大时钟频率。

DAC8814的手册明确写着最高50MHz，所以这就是我们的第一道天花板。

第二层是有效数据写入速率。

这才是真正影响你输出电压平稳性的关键。

它指的是你每秒能成功、完整地向DAC发送多少个有效数据字（比如16位数据）。

这个速率不仅受限于SCK频率，更受限于你整个软件流程的效率。

它包括：CPU准备数据的时间、调用SPI发送函数的时间、SPI总线本身的传输时间、以及等待传输完成的时间。

在原始文章的树莓派例子里，SCK有50MHz，但有效写入速率只有50-70kHz，差距巨大，问题就出在软件和非实时系统调度上。

第三层是时序的稳定性和一致性。

在高精度控制中，数据发送的间隔是否均匀，比绝对速率有时更重要。

想象一下，你虽然平均每秒能发10万个数据，但有时候密集连发，有时候又停顿几毫秒，这种“抖动”经过低通滤波器后，依然会产生电压波动。

因此，我们的优化目标不仅仅是提高平均速率，更是要减少速率抖动，实现平稳的数据流。

为了更直观，我们可以看下面这个对比表格，它概括了影响有效数据速率的关键环节：

理解了这三层，我们就能有的放矢。

接下来的实战，我们会从硬件配置入手，确保时钟根基打牢，然后重点攻坚软件层面的优化，尤其是如何利用STM32的DMA和中断来打造一个高效且平稳的数据流水线。

3.

硬件配置实战：逼近50MHz的理论极限

硬件是基础，配置错了，软件再优化也是白搭。

我们以STM32H743这款高性能芯片和DAC8814为例，一步步拆解配置要点。

首先是时钟树配置。

想让SPI跑得快，必须先把它的“粮草”——系统时钟和总线时钟——供给足。

STM32H743的主频可以跑到480MHz，但SPI通常挂载在APB总线上。

你需要通过CubeMX或者直接配置RCC寄存器，确保APB2总线时钟（APB2

peripheral

clocks）达到最高速度（比如240MHz）。

这是你SPI时钟分频的源头，源头的水量决定了下游的潜力。

其次是SPI参数初始化。

这里有几个关键参数，一个都不能错：

1. 波特率分频器（BaudRate

   Prescaler）：我们的目标是让SCK接近DAC8814的50MHz极限。

   假设APB2时钟是240MHz，那么分频系数设置为SPI_BAUDRATEPRESCALER_4，就能得到60MHz的SCK，这已经超了。

   设置为SPI_BAUDRATEPRESCALER_8，得到30MHz，又有点保守。

   经过测试，SPI_BAUDRATEPRESCALER_6可能得到一个40MHz的时钟，这是安全和性能的一个不错平衡点。

   切记，不要盲目设到最小分频，务必留有余量，并实际用示波器测量SCK引脚确认。

2. 时钟极性与相位（CPOL和CPHA）：这是最容易出错的地方！原始文章中提到，当STM32H743的SPI时钟设到50M时，数据会晚半个周期，需要调整CPOL来纠正。

   这深刻说明，高速下必须严格匹配主从设备之间的时序模式。

   DAC8814的数据手册会规定它在SCK的哪个边沿采样数据。

   你需要根据这个规定，来设置STM32的SPI_CPOL和SPI_CPHA。

   通常有四种模式（0,0）、（0,1）、（1,0）、（1,1）。

   一个快速的验证方法是：先用低速（如1MHz）测试，确保数据通信正确，然后再逐步提高速率，如果发现数据错位，就尝试切换另一种模式。

   在高速下，PCB布线、信号完整性也会影响时序，所以最终模式可能需要实测确定。

3. 数据帧格式（Data

   Size）：DAC8814是16位数据，因此务必设置SPI_DataSize为SPI_DATASIZE_16BIT。

   使用16位格式一次性发送，比用8位格式分两次发送，不仅速率翻倍，更重要的是减少了中间的处理间隔，让数据流更连贯。

4. 片选（CS）管理：对于高速连续传输，建议将片选引脚设置为软件控制（SPI_NSS_Soft），并在一次完整的传输序列开始前拉低，序列结束后拉高。

   避免使用硬件自动管理，因为在极高频率下，硬件自动产生的CS脉冲宽度可能不满足从设备要求。

配置完成后，不要急于写复杂应用。

先写一个简单的测试循环，连续发送一个固定的16位数据，然后用逻辑分析仪或示波器同时抓取SCK、MOSI和CS引脚。

你需要确认：SCK频率是否符合预期、数据在正确的时钟边沿稳定、CS信号有效宽度足够、数据波形干净没有明显的过冲或振铃（这涉及到PCB布局和终端匹配，是另一个话题）。

硬件平台稳了，我们才能放心地在上面搭建高效的软件架构。

4.

软件优化核心：启用DMA实现“零等待”数据流

硬件配置好了，SCK跑在了40MHz，但如果你还用传统的“查询（Polling）”或者“中断（Interrupt）”方式来发送每一个数据，那有效写入速率依然上不去，CPU会被频繁占用，数据流的均匀性也无法保证。

这时，DMA（直接存储器访问）就是你的终极武器。

它的核心思想是：让一个专门的硬件模块来搬运数据，而不需要CPU插手。

CPU只需要告诉DMA“数据在哪，要发多少，发给谁”，就可以去处理其他任务，或者进入低功耗模式，SPI和DMA会自己完成所有传输。

如何为SPI发送配置DMA？我们以STM32H7的HAL库为例，步骤其实很清晰：

1. 初始化DMA流（Stream）或通道（Channel）。

   你需要找到与SPI发送（TX）对应的DMA流。

   在CubeMX里勾选SPI的TX

   DMA请求，它会自动帮你关联。

   或者手动查找芯片参考手册的DMA请求映射表。

2. 配置DMA参数。

   这里的关键点包括：

   • PeriphInc设置为禁用（外设地址固定，就是SPI的数据寄存器）。

   • MemInc设置为使能（内存地址递增，因为我们有一个数据数组要连续发送）。

   • PeriphDataAlignment和MemDataAlignment都设置为半字（Half

     Word，即16位），以匹配我们的16位SPI数据格式。

   • Mode设置为循环模式（Circular）。

     这是实现平稳、不间断数据流的关键！在循环模式下，DMA发送完缓冲区最后一个数据后，会自动回到开头重新开始，形成一个闭环。

     只要SPI不停，数据就会源源不断地、以极其均匀的间隔发送出去。

3. 准备数据缓冲区。

   在内存中开辟一个数组，比如uint16_t

   dac_buffer[1024]，里面存放着你计算好的、要输出给DAC的sigma-delta序列数据。

4. 启动传输。

   调用HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1,

   1024)。

   这个函数会立即返回，而数据传输在后台开始。

//
示例代码片段
HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1,
1024);
比如，在后台计算下一批sigma-delta数据，并填充到另一个缓冲区，
Buffer）模式进行切换，实现无缝更新。

DMA带来的质变：一旦DMA循环传输启动，SPI总线就会以硬件允许的最高效率、最稳定的节奏向外发送数据。

有效写入速率将无限接近理论值（SCK频率

16位）。

对于40MHz的SCK，理论数据速率就是2.5M次/秒（40M

16），这比树莓派的70kHz高了两个数量级！更重要的是，由于是硬件自动循环，数据间隔的抖动微乎其微，为后端滤波器产生平稳的直流电压打下了完美的基础。

5.

应对高速SPI的常见“坑”与调试技巧

理想很丰满，但现实调试中总会遇到几个“坑”。

我把自己和同行们踩过的坑总结一下，帮你快速排雷。

第一个坑：时钟相位不对，数据全错。

前面提过，高速下CPOL/CPHA必须绝对匹配。

调试技巧：除了对照手册，最实用的方法就是用示波器。

同时测量SCK和MOSI，放大看第一个数据位的开始位置。

确认数据是在SCK的采样边沿（上升沿或下降沿）已经稳定建立（Setup

Time），并在采样边沿之后还能保持一段时间（Hold

Time）。

如果发现数据变化边沿太靠近采样边沿，就需要调整CPHA模式，或者考虑降低一点时钟频率，给信号留出更多的稳定时间。

第二个坑：电源噪声和纹波影响输出精度。

当你把SPI速率推得很高时，数字IO口的快速翻转会产生高频噪声，如果电源去耦没做好，这些噪声会耦合到模拟电源上，污染你辛辛苦苦得到的平稳电压。

调试技巧：在DAC的模拟电源引脚（AVDD）和数字电源引脚（DVDD）附近，务必放置足够容量的去耦电容，典型的是10uF钽电容并联一个0.1uF的陶瓷电容，并且尽可能靠近芯片引脚。

用示波器探头（切换到带宽限制模式）直接测量DAC输出引脚，观察在SPI高速传输时，直流输出电平上是否叠加了高频毛刺。

第三个坑：DMA传输偶尔卡死或数据错位。

这可能是因为内存访问冲突、DMA缓冲区设置错误或者SPI错误标志未清除导致的。

调试技巧：启用SPI和DMA的错误中断（Error

Callback），在里面设置断点或打印日志。

检查DMA缓冲区的地址是否对齐（16位数据应对齐到半字地址）。

如果使用了循环模式+DMA双缓冲，要确保在DMA传输完成一半（Half

Transfer

Complete）和全部完成（Transfer

Complete）的中断回调函数中，正确切换和填充缓冲区，避免操作冲突。

第四个坑：SPI速率上不去，一提高就出错。

除了配置问题，还要考虑PCB布局。

高速SPI信号线（SCK，

MOSI）最好走等长线，并远离模拟信号和晶振等敏感源。

如果走线过长或过孔太多，信号质量会下降。

调试技巧：用示波器观察高速下的SCK和MOSI波形，看上升/下降沿是否陡峭，有没有明显的圆角或振铃。

如果波形不好，可能需要在驱动端串联一个小电阻（如22欧姆）来阻尼反射，但这需要根据实际情况调整。

调试是一个反复的过程。

我的习惯是：先低速调通功能，再逐步提高速率，每步都用仪器验证。

从1MHz开始，确保数据正确；然后跳到10MHz，观察波形和输出；最后挑战极限的40-50MHz。

同时，准备好随时调整软件配置（如分频、模式）和硬件参数（如端接电阻）。

稳扎稳打，才能最终让STM32的SPI在高速下稳定输出，驱动DAC产生那个你梦寐以求的、平稳如镜的电压。