STM32之IO口模拟SPI

本文介绍如何使用STM32标准外设库的GPIO端口模拟SPI，本例程使用PA5、PA6和PA7模拟一路SPI。SPI有4种工作模式，模拟SPI使用模式0，即空闲时SCK为低电平，在奇数边沿采样。

本文适合对单片机及Ｃ语言有一定基础的开发人员阅读，MCU使用STM32F103VE系列。

1. 简介

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在要求通讯速率较高的场合。SPI用于多设备之间通讯，分为主机Master和从机Slave，主机只有一个，从机可以有多个，通过片选信号对从机进行选择，一次只能选择一个从机。通讯只能由主机发起，支持的操作分为读取和写入，即主机读取从机的数据，以及向从机写入数据。

SPI一般有4根线，分别是片选线SS、时钟线SCK、主设备输出\从设备输入MOSI、主设备输入\从设备输出MISO，其中除MISO对于主机为输入引脚外，其他引脚对于主机均为输出引脚。因为有独立的输入和输出引脚，因此SPI支持全双工工作模式，即可以同时接收和发送。

2. 总线传输信号

空闲状态：片选信号SS低电平有效，那么空闲状态片选信号SS为高。
开始信号及结束信号：开始信号需要将片选信号SS拉低，结束信号需要将片选信号SS拉高。
通讯模式：SPI有4种通讯模式，分别为0、1、2、3，根据时钟极性和时钟相位确定，时钟极性分别为空闲低电平和空闲高电平，时钟相位分别为SCK奇数边沿采样和偶数边沿采样。常用的模式为模式0和模式3。

SPI模式	时钟极性（空闲时SCK时钟）	时钟相位（采样时刻）
0	低电平	奇数边沿
1	低电平	偶数边沿
2	高电平	奇数边沿
3	高电平	偶数边沿

3. 时序说明

以模式0举例说明：

空闲状态：片选信号SS为高，SCK输出低电平。
开始信号：片选信号SS变低，SCK输出低电平。
结束信号：片选信号SS变高，SCK输出低电平。
读取：SCK由低变高之后，读取MISO引脚信号。
写入：SCK输出低电平，MOSI引脚输出相应的电平，然后SCK输出高电平。
一个时钟周期同时读取和写入：SCK输出低电平，主设备控制MOSI输出相应电平，从设备控制MISO输出相应电平，然后SCK输出高电平，从设备读取MOSI引脚电平，主设备读取MISO引脚电平。即无论主设备还是从设备，均在SCK为低电平时输出信号，在SCK为高电平时读取信号。

4. 初始化

初始化跟普通GPIO类似，SCK和MOSI设置为推挽输出，而MISO设置为浮空输入。

GPIO初始化完成之后，SCK置为低电平，进入空闲状态。

5. 模拟信号

由于SPI支持一个周期内同时读取和写入，因此读取和写入操作可以用一个函数实现，而单独的读取函数和写入函数可以通过调用该读写函数实现。

完整代码（仅自己编写的部分）

 1 #define SPI_SCK_1    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5)            /* SCK = 1 */
 2 #define SPI_SCK_0    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5)        /* SCK = 0 */
 3 
 4 #define SPI_MOSI_1    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7)            /* MOSI = 1 */
 5 #define SPI_MOSI_0    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7)        /* MOSI = 0 */
 6 
 7 #define SPI_READ_MISO    GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6)    /* 读MISO口线状态 */
 8 
 9 #define Dummy_Byte    0xFF    //读取时MISO发送的数据，可以为任意数据
10 
11 
12 //初始化SPI
13 void SPI_IoInit(void)
14 {                         
15     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
16 
17     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);    
18 
19     //CS引脚初始化
20     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
21     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;           //推挽输出
22     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
23     GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
24  
25     //SCK和MOSI引脚初始化
26     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;
27     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;           //推挽输出
28     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
29     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
30  
31     //MISO引脚初始化
32     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
33     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU ;               //浮空输入
34     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
35     
36     SPI_CS_1;
37     SPI_SCK_1;
38 }
39 
40 //SPI可以同时读取和写入数据，因此一个函数即可满足要求
41 uint8_t SPI_ReadWriteByte(uint8_t txData)
42 {
43     uint8_t i;
44     uint8_t rxData = 0;
45 
46     for(i = 0; i < 8; i++)
47     {
48         SPI_SCK_0;
49         delay_us(1);
50         //数据发送
51         if(txData & 0x80){        
52             SPI_MOSI_1;
53         }else{
54             SPI_MOSI_0;
55         }
56         txData <<= 1;
57         delay_us(1);
58 
59         SPI_SCK_1;
60         delay_us(1);
61         //数据接收
62         rxData <<= 1;
63         if(SPI_READ_MISO){
64             rxData |= 0x01;
65         }
66         delay_us(1);
67     }
68     SPI_SCK_0;
69 
70     return rxData;
71 }
72 
73 uint8_t SPI_ReadByte(void)
74 {
75     return SPI_ReadWriteByte(Dummy_Byte);
76 }
77 
78 void SPI_WriteByte(uint8_t txData)
79 {
80     (void)SPI_ReadWriteByte(txData);
81 }