STM32单片机SAI外设TDM接口应用

资深流水灯工程师

411人浏览 · 2026-06-14 11:58:45

资深流水灯工程师 · 2026-06-14 11:58:45 发布

一、SAI 为什么放在 Multimedia 栏目？

SAI 的全称是 Serial Audio Interface（串行音频接口），是 ST 官方专为音频场景设计的高性能串行外设，它的原生定位就是连接数字麦克风、音频 Codec、DAC/ADC 等多媒体音频设备，原生支持 I2S、PCM、TDM 等主流音频传输协议STMicroelectronics。

TDM 本身就是多声道音频的标准传输方式（比如 8 声道、16 声道环绕声、麦克风阵列），所以 SAI 的 TDM 模式最初是为多声道音频采集设计的。只是因为它时序精准、同步性极强，才被拓展到加速度计、IMU 等需要多芯片同步采样的传感器场景。

CubeMX 是按外设的设计定位分类，因此 SAI 被归在 Multimedia（多媒体）分组下，而非普通通信外设（SPI/I2C）。

二、SAI1 和 SAI2 的区别

STM32L476 集成了两个完全独立的 SAI 外设，二者功能、性能、支持的最大时隙数完全一致，没有规格差异：

每个 SAI 都包含 Block A 和 Block B 两个独立子块，每个子块可单独配置为主机 / 从机、发送 / 接收，互不干扰；
每个子块最多支持 16 个时隙（Slot），单条 TDM 总线最多可接 16 颗芯片；
二者唯一区别是IO 引脚位置不同、时钟源可独立配置，适合需要两路独立 TDM 总线的场景（比如两排独立的传感器阵列）。

采集加速度计一般只用一个 SAI 的一个 Block 就足够了。

三、STM32CubeMX TDM 模式完整配置步骤（加速度计采集场景）

我们以最常用的场景为例：SAI1 Block A 作为主机接收，4 颗加速度计共享一条 TDM 总线，单时隙 32 位，一步步完成配置。

1. 时钟树配置（同步稳定的核心）

SAI 的时钟精度直接决定 TDM 数据是否错位，L476 的 SAI 推荐使用独立的 PLLSAI1 作为时钟源，不受系统时钟波动影响：

进入 Clock Configuration 页面；
勾选启用 PLLSAI1，时钟源建议选外部高速晶振 HSE，配置分频系数，使输出频率能分频得到你需要的位时钟（BCLK）。
- 计算公式：BCLK频率 = 采样率 × 每帧总位数
- 举例：4 颗芯片，每颗 32 位，采样率 10kHz → 每帧 128 位 → BCLK = 10kHz × 128 = 1.28MHz
在下方时钟映射中，将 SAI1 Clock Source 选择为 PLLSAI1。

2. 启用 SAI 外设，设置基础模式

回到 Pinout & Configuration 页面，在左侧 Multimedia 分类下点开 SAI1；
勾选 SAI1 Block A，模式选择 Master Receive（主机接收：MCU 生成 BCLK 和帧同步信号，接收传感器数据）；
Audio Protocol 选择 Free Protocol（自由协议）。

说明：CubeMX 里没有单独的 “TDM” 选项，TDM 是通过自定义帧结构 + 时隙参数实现的，Free Protocol 就是用来配置自定义 TDM/PCM 协议的模式STMicroelectronics。

3. 配置 TDM 核心参数（必须和加速度计时序完全匹配）

在 Parameter Settings 面板，分三部分配置：

（1）基础传输参数

Data Size：单路有效数据位宽，根据加速度计规格选择，常用 16Bit 或 32Bit；
First Bit：默认 MSB First（高位先行，绝大多数传感器都是此标准）；
Clock Strobing：时钟采样边沿，需和加速度计输出边沿匹配。通常传感器在下降沿输出数据，MCU 选 Rising Edge 上升沿采样。

（2）帧结构配置（Frame）

Frame Length：一帧的总位数 = 时隙数量 × 单个时隙位宽。例：4 个时隙，每个时隙 32 位 → 填 128；
Sync Definition：选 Start Of Frame（帧同步脉冲表示新一帧开始）；
Sync Polarity：帧同步极性，高有效或低有效，和传感器一致即可；
Sync Width：同步脉冲宽度，标准 TDM 常用 1 Bit（1 个 BCLK 周期的脉冲）。

（3）时隙配置（Slot）—— 区分不同芯片的核心

Slot Size：单个时隙的位宽，必须≥Data Size，常用 32Bit；
Number of Slot：一帧内的时隙总数，等于你接的加速度计数量，比如 4 颗就填 4；
Slot Active：激活时隙掩码（16 进制），标记哪些时隙有效。例：4 颗芯片用前 4 个时隙 → 填 0x000F；8 颗就是 0x00FF。

4. GPIO 与 DMA 配置

引脚确认：CubeMX 会自动分配 SAI 功能引脚，确认 3 根关键信号线：
- SAI1_SCK_A：位时钟 BCLK
- SAI1_FS_A：帧同步 FS
- SAI1_SD_A：串行数据输入 SD 如有引脚冲突，手动切换到其他复用引脚即可（L476 的 SAI 一般复用为 AF13）。
DMA 配置（必配）：TDM 是连续流式传输，必须用 DMA 搬运，否则会丢数据：
- 左侧 System Core → DMA → 点击 Add；
- 选择 SAI1_A 通道，方向 Peripheral To Memory；
- 模式选 Circular（循环模式，实现连续采集）；
- 数据宽度：外设和内存都选 Word（32 位时隙），16 位则选 Half Word；
- 优先级设为 High，保证数据及时搬运。

5. 生成工程

所有参数确认无误后，直接生成 Keil/IAR 工程，CubeMX 会自动生成 SAI 和 DMA 的初始化代码。

四、加速度计对接与代码实现要点

1. 传感器端预配置（对应 I2C 的 SA0 地址功能）

TDM 总线本身没有寻址机制，所有加速度计的时隙号必须提前单独配置：

绝大多数支持 TDM 的加速度计，都需要先通过 SPI/I2C 接口写入寄存器，设置自身的 TDM 时隙编号、输出位宽、时钟边沿等参数；
必须保证总线上所有芯片的时隙号不重复，且和 MCU 端的 Slot 顺序一一对应，否则会出现总线冲突或数据串路。

2. 启动 TDM 采集

初始化完成后，调用 HAL 库函数启动 DMA 循环接收：

// 接收缓冲区：4个时隙，每个32位，双缓冲结构
uint32_t tdm_rx_buf[4 * 2];  

// 启动SAI DMA循环接收
HAL_SAI_Receive_DMA(&hsai_BlockA1, (uint8_t*)tdm_rx_buf, 4);

3. 按时隙拆分数据（区分不同芯片）

在 DMA 接收完成回调中，按数组位置直接对应到每颗芯片：

void HAL_SAI_RxCpltCallback(SAI_HandleTypeDef *hsai)
{
    // tdm_rx_buf[0] → 第1颗加速度计（时隙0）
    // tdm_rx_buf[1] → 第2颗加速度计（时隙1）
    // tdm_rx_buf[2] → 第3颗加速度计（时隙2）
    // tdm_rx_buf[3] → 第4颗加速度计（时隙3）
    
    // 在此处解析每一路的加速度原始数据
}