SPI接口是一种比较“历史悠久”的接口了，经常用在处理器与外设通信上。它的特点：主从结构，点对点，同步串行，全双工，协议简单，中等速率（小1M~50Mb/s）。由于上述的特点，时至今日SPI仍广泛使用。但SPI有一些“天生缺陷”使得在一些应用场景下需工程师特别注意，例如物理层还是单端信号，同步时钟有严格时序要求，在速率高的传输线长度较长的情况下，信号边沿容易失真，信号传输delay导致时序容易出问题；信号幅值较高，快速的上升下降沿容易出EMC问题。当然针对这些问题IC厂家做了很多优化，工程师应知道了解这些“后手”并快速解决问题，今天的案例也会聊到。今天分享一个之前遇到的SPI传输问题案例。

问题背景：

便携设备，SOC和外设指纹传感器，指纹传感器是图像式指纹传感器，本质上是CMOS+针对指纹识别应用的ASIC，这种指纹图像相对影像图像的数据量不大，要求速率在小几M到几十M这个级别，用SPI也是够的，所以这类传感器很多用SPI。master是SOC，指纹传感器做slave，速率是25Mbit/s。

试产有些样机出现高概率性指纹识别失败，定位到是SOC和指纹传感器间SPI传输概率性出错。

问题排查：

1.排查主从用的SPI模式是否一致。SPI根据时钟极性和时钟相位分四种模式，这几种模式本质上是时钟/数据采样时机不同。一般master都是支持多种模式，可软件配置的，但slave一般是固定一种模式。两者要一致。排查软件模式配置没问题。

2.排查信号质量，时序波形。掏出4根探头，啪啪啪一顿量，然后对着规格书的时序要求逐一对比。波形，时序排查看起来没问题，符合指纹传感器和SOC的要求，但由于SPI速率较高，DIN信号的建立时间裕量相对不是很大。时序要求一般会写在规格书里面例如：

3.是时序问题还是IC本身问题还是其他原因？想办法将好的造错弄成问题的不良，将不良的修好：

将传输正常的机器通过在SCK,DIN上加RC增加delay，减缓边沿让时序变差，正常机器能造出类似的问题；

将不良机器的SCK串阻去掉使得边沿变陡峭，增加时序裕量，部分不良机器问题消失；

这时可以基本判断大概率还是SPI传输时序的问题，可以往这个方向进一步做些验证。


4.因为测出来的时序波形满足要求，但问题还存在，且测量点是在PCB走线上的，会不会在芯片内部的收发器接收到是不满足时序要求的？ 因为IC内部有pin delay等问题，也是有可能的。

没有思路时就大胆假设，摇人，上升问题，总不能坐以待毙。问题捅给SOC原厂和传感器原厂，拉着一起看。题外话，这里也要注意这1 种涉及多方的问题容易产生甩锅的情况，一定要将问题疑点引到各家身上他们才会认真看待，论拉人下水的诀窍。。。


5.SOC厂和传感器厂开始掏出自己的小后门：

传感器：我能调整DO脚的驱动能力，还能让DO边沿再抖一点；

SOC：我能独立微调SPI收发器的采样时机；我还能调整它们的驱动能力；我有自己的模型能仿真下接收到的真实波形是否满足我的时序要求；

接下来就是逐一验证收集数据了：将这些措施排列组合一通验证下来，最后有个调整SOC接收端采样时机参数的措施比较有效，全部不良调整后OK，原来OK的也继续OK；理论仿真接收端也满足；可靠性试验也OK。导入，解决！


问题总结：

  • SPI通信速率从绝对值看不高，但其物理层还是单端信号，速率高一点>5Mbit/s设计时要特别注意信号质量，时序问题。
  • 对于高速信号，由于仪器测量端和IC接收端中间还有一段传输线效应，测量到的信号波形与IC内部真实收到的信号波形不一定是一致的。也就是高速信号经常提到的远端、近端概念。
  • 了解器件的一些“隐藏”功能有助于快速解决该类问题。这类时序问题很常见，IC厂家设计此类收发器IP时都会有预留一些时序调整的“功能”，这类功能一般不会写在规格书里面。通过软件配一下寄存器可比改板改堆叠代价小很多！



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