使用普通GPIO实现模拟SPI功能

本帖最后由 dffzh 于 2025-4-2 16:19 编辑

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@21小跑堂

在MCU硬件资源（包括总线资源和引脚资源等）受限时，如果需要使用SPI总线进行MCU和外围器件的通信，在硬件SPI损坏或缺失的情况下，可以考虑使用软件模拟SPI总线，即通过普通的GPIO引脚的电平翻转和延时操作实现SPI数据的读取和写入。以下实现模拟SPI的功能已在AT32F403ACCT7平台上成功验证。首先你需要对4个GPIO引脚进行普通输入输出模式的配置，即CS信号-PB6脚，CLK信号-PB7脚，MOSI信号-PB9脚，MISO信号-PB8脚，如下图所示:

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2025-4-2 08:56 上传

其次你需要实现数据的读取和写入操作，我的这个demo例程是通过IS3980S芯片实现数字量信号的读取操作，即MCU和IS3980S之间以模拟SPI方式实现数据读写操作，所以变量等的命名基本上都带有“IS3980S”字符串，但这毫无影响，以下是GPIO的定义实现：

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2025-4-2 08:57 上传

对于MCU输出的引脚，定义了输出高电平或低电平的宏；对于MCU输入的引脚，定义了读取外部电平信号的宏。

另外，定义了非精确的延时操作函数和延时时间，如下图：

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IS3980S_DELAY_TIME为延时时间，决定了模拟SPI的时钟频率，其值越小，时钟频率越大，而能支持的最大时钟频率由MCU主频决定。在实际项目开发时，需要通过使用示波器抓取CLK信号的波形来判断波形失真情况，以及根据硬件上设计的RC滤波电路来计算截止频率，加上产品规格需求，基本上就能判断出来模拟SPI设计是否能符合项目需求。

对于读取函数，即MCU从外围器件读取数据，主要原理是在操作CS信号为低电平期间，通过控制CLK信号并在其上升沿或下降沿时刻（demo为上升沿，参考器件手册）读取MISO信号的电平，并存储到8位无符号变量read_byte里面，主要代码如下所示 ：

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读取函数的返回值read_byte即为读取到的一个字节数据。

对于写入函数，即MCU向外围器件写入数据，函数入参write_byte即为需要写入的一个字节数据，主要原理是在操作CS信号为低电平期间，通过控制CLK信号并在其上升沿或下降沿时刻（demo为上升沿，参考器件手册）输出MOSI为高电平或低电平，主要代码如下所示：

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2025-4-2 08:58 上传

模拟SPI应用场景很多，相对于硬件SPI，以下对两者的优缺点进行了简单说明，大家可以根据实际应用场景和需求进行选择。模拟SPI优点：移植性强：如以上代码所示，一般只需要修改底层驱动配置，即可在其他MCU上使用；灵活性高：普通GPIO即可实现，在SPI总线资源不够时可以考虑。缺点：处理器负载高：需要频繁地控制GPIO电平翻转；传输速度慢：受MCU主频和GPIO电平翻转速度影响。

硬件SPI优点：传输速度快：能够达到几十MHz的速度，适合实时性要求较高的场合；处理器负载低：使用硬件模块进行通信，执行效率高。缺点：成本较高：需要专门的硬件模块，增加成本；灵活性较低：硬件SPI模块损坏后，就无法实现SPI总线通信。