STM32之IO口模擬SPI

本文介紹如何使用STM32標准外設庫的GPIO端口模擬SPI，本例程使用PA5、PA6和PA7模擬一路SPI。SPI有4種工作模式，模擬SPI使用模式0，即空閑時SCK為低電平，在奇數邊沿采樣。

本文適合對單片機及Ｃ語言有一定基礎的開發人員閱讀，MCU使用STM32F103VE系列。

 

1.   簡介

SPI 協議是由摩托羅拉公司提出的通訊協議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設備接口，是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在要求通訊速率較高的場合。SPI用於多設備之間通訊，分為主機Master和從機Slave，主機只有一個，從機可以有多個，通過片選信號對從機進行選擇，一次只能選擇一個從機。通訊只能由主機發起，支持的操作分為讀取和寫入，即主機讀取從機的數據，以及向從機寫入數據。

SPI一般有4根線，分別是片選線SS、時鍾線SCK、主設備輸出\從設備輸入MOSI、主設備輸入\從設備輸出MISO，其中除MISO對於主機為輸入引腳外，其他引腳對於主機均為輸出引腳。因為有獨立的輸入和輸出引腳，因此SPI支持全雙工工作模式，即可以同時接收和發送。

2.    總線傳輸信號

• 空閑狀態：片選信號SS低電平有效，那么空閑狀態片選信號SS為高。
• 開始信號及結束信號：開始信號需要將片選信號SS拉低，結束信號需要將片選信號SS拉高。
• 通訊模式：SPI有4種通訊模式，分別為0、1、2、3，根據時鍾極性和時鍾相位確定，時鍾極性分別為空閑低電平和空閑高電平，時鍾相位分別為SCK奇數邊沿采樣和偶數邊沿采樣。常用的模式為模式0和模式3。

SPI模式	時鍾極性（空閑時SCK時鍾）	時鍾相位（采樣時刻）
0	低電平	奇數邊沿
1	低電平	偶數邊沿
2	高電平	奇數邊沿
3	高電平	偶數邊沿

 

3.    時序說明

以模式0舉例說明：

• 空閑狀態：片選信號SS為高，SCK輸出低電平。
• 開始信號：片選信號SS變低，SCK輸出低電平。
• 結束信號：片選信號SS變高，SCK輸出低電平。
• 讀取：SCK由低變高之后，讀取MISO引腳信號。
• 寫入：SCK輸出低電平，MOSI引腳輸出相應的電平，然后SCK輸出高電平。
• 一個時鍾周期同時讀取和寫入：SCK輸出低電平，主設備控制MOSI輸出相應電平，從設備控制MISO輸出相應電平，然后SCK輸出高電平，從設備讀取MOSI引腳電平，主設備讀取MISO引腳電平。即無論主設備還是從設備，均在SCK為低電平時輸出信號，在SCK為高電平時讀取信號。

4.    初始化

初始化跟普通GPIO類似，SCK和MOSI設置為推挽輸出，而MISO設置為浮空輸入。

GPIO初始化完成之后，SCK置為低電平，進入空閑狀態。

5.    模擬信號

由於SPI支持一個周期內同時讀取和寫入，因此讀取和寫入操作可以用一個函數實現，而單獨的讀取函數和寫入函數可以通過調用該讀寫函數實現。

 

完整代碼（僅自己編寫的部分）

#define SPI_SCK_1    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5)            /* SCK = 1 */
#define SPI_SCK_0    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5)        /* SCK = 0 */

#define SPI_MOSI_1    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7)            /* MOSI = 1 */
#define SPI_MOSI_0    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7)        /* MOSI = 0 */

#define SPI_READ_MISO    GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6)    /* 讀MISO口線狀態 */

#define Dummy_Byte    0xFF    //讀取時MISO發送的數據，可以為任意數據


//初始化SPI
void SPI_IoInit(void)
{                         
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);    

    //CS引腳初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;           //推挽輸出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
 
    //SCK和MOSI引腳初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;           //推挽輸出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 
    //MISO引腳初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU ;               //浮空輸入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    SPI_CS_1;
    SPI_SCK_1;
}

//SPI可以同時讀取和寫入數據，因此一個函數即可滿足要求
uint8_t SPI_ReadWriteByte(uint8_t txData)
{
    uint8_t i;
    uint8_t rxData = 0;

    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        SPI_SCK_0;
        delay_us(1);
        //數據發送
        if(txData & 0x80){        
            SPI_MOSI_1;
        }else{
            SPI_MOSI_0;
        }
        txData <<= 1;
        delay_us(1);

        SPI_SCK_1;
        delay_us(1);
        //數據接收
        rxData <<= 1;
        if(SPI_READ_MISO){
            rxData |= 0x01;
        }
        delay_us(1);
    }
    SPI_SCK_0;

    return rxData;
}

uint8_t SPI_ReadByte(void)
{
    return SPI_ReadWriteByte(Dummy_Byte);
}

void SPI_WriteByte(uint8_t txData)
{
    (void)SPI_ReadWriteByte(txData);
}