使用GPIO模拟SPI

在现代电子设备中，SPI被广泛应用于传感器、存储器和其它外设。毫无疑问，SPI是一种非常有用的通讯协议。但是，并不是所有的芯片都支持SPI，甚至对于有硬件SPI支持的芯片而言，软件模拟SPI也是一个有用的技术。

一、GPIO模拟SPI的实现原理

GPIO模拟SPI的原理非常简单明了：使用三个GPIO引脚模拟SPI的时钟、数据输入和数据输出。

对于传输数据而言，我们需要模拟SPI的时钟信号来同步两个SPI设备之间数据的传输。每个SPI设备都会有一些数据发送到另一个SPI设备。在每个数据位传输的开始，时钟信号将被发送到目标设备。一旦时钟信号被发送，目标设备将读取数据并将其存储在内部缓冲器中，同时该目标设备将准备下一次传输的数据。

由于SPI采用全双工通信，一个设备可以在传输期间同时接收和发送数据。因此，我们需要两个GPIO引脚模拟SPI的双向数据线。在数据传输期间，设备将在其中一个GPIO引脚上输出数据，而另一个设备将在另一个GPIO引脚上输出数据。双向数据线的工作类似于1对多的数据总线，其中多个设备可以向总线发送数据。

简而言之，模拟SPI需要三个GPIO引脚。3个GPIO分别用于：时钟信号、数据输入和数据输出。这些引脚需要设置为输出或输入模式，以便向目标设备发送或读取数据。

二、GPIO模拟SPI的硬件需求

为了实现GPIO模拟SPI，我们需要一个具有足够GPIO引脚的板子，例如树莓派、Arduino等。

在树莓派3B+或更高版本上，我们可以使用GPIO2引脚作为SPI时钟信号线，GPIO3引脚作为数据引脚（MOSI）和GPIO4引脚作为数据返回引脚（MISO）。这些引脚都是数字IO引脚，可以通过GPIO库进行编程。对于树莓派2及更早版本，SPI主从机信号线可能会有所不同，需要参考官方文档。

另外，我们需要使用跳线将芯片的CLK、MOSI和MISO引脚连接到树莓派的GPIO引脚上。

三、使用Python在树莓派上实现GPIO模拟SPI

1. 安装RPi.GPIO库

在Python中，我们使用RPi.GPIO库来控制树莓派的GPIO引脚。安装RPi.GPIO库只需要使用pip即可。

sudo pip install RPi.GPIO

2. 初始化GPIO引脚

在开始使用GPIO引脚之前，我们需要初始化它们。这可以通过RPi.GPIO库的setmode()函数来完成。setmode()函数可以将引脚编号方式设置为BCM（Broadcom SOC）或BOARD模式。我们选择使用BCM模式。

import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 设置时钟信号引脚
GPIO.setup(SPI_CLK, GPIO.OUT)

# 设置MOSI引脚
GPIO.setup(SPI_MOSI, GPIO.OUT)

# 设置MISO引脚
GPIO.setup(SPI_MISO, GPIO.IN)

3. 实现SPI传输函数

我们现在可以实现一个函数，该函数将使用三个GPIO引脚实现SPI通讯。

def spi_transfer_byte(data):
    # 发送位
    for bit in range(8):
        GPIO.output(SPI_CLK, LOW)

        if (data & 0x80):
            GPIO.output(SPI_MOSI, HIGH)
        else:
            GPIO.output(SPI_MOSI, LOW)

        data <<= 1

        GPIO.output(SPI_CLK, HIGH)

        if (GPIO.input(SPI_MISO)):
            data |= 0x1

    return data

4. 发送和接收数据

使用spi_transfer_byte()函数可以发送和接收数据。下面是一个例子，向一个设备发送一个字节并接收一个字节：

data = 0x55

GPIO.output(SPI_CS, LOW)

receivedByte = spi_transfer_byte(data)

GPIO.output(SPI_CS, HIGH)

在此代码片段中，首先使用GPIO输出LOW信号将Chip Select（CS）线置为LOW，从而选中SPI设备。然后使用spi_transfer_byte()函数发送一个字节并接收一个字节。最后，将CS线恢复为HIGH以释放SPI设备。

四、针对GPIO模拟SPI的一些注意事项

在实现GPIO模拟SPI时，需要注意以下几点：

1. 时序要求

SPI通讯需要考虑时序问题。如果时序不正确，就会导致通讯失败。在实现GPIO模拟SPI时，需要确保时序合理。

2. 数据协议

为了成功实现SPI通讯，所有通讯的设备都要遵守协议。从设备需要在发起通讯之前被选择，以接收来自主设备的正确信息。主设备应该知道数据传输的格式和大小。

3. 电平问题

一些SPI设备在操作期间，可能会改变信号电平。这可以在硬件上实现的，但是对于某些低端芯片而言，可能需要通过软件控制电平。因此，在模拟SPI时，必须考虑到此问题以确保正确通讯。

4. 速度问题

SPI通讯，特别是在高速模式下，可能会面临一些问题。时钟频率应该合理。较高的时钟频率将使信号更易出错，因为即使时间误差很小，也会产生严重问题。在开始通讯之前，应该确保设置了合适的时钟频率。

5. 代码执行顺序

根据SPI协议，主设备将发送命令字节到一个从设备，并在接收应答字节后结束通讯。因此，在代码中必须记得先发送命令，再接收应答。

五、总结

通过利用GPIO模拟SPI，可以使得低成本的设备（如树莓派）通过软件控制也能实现SPI通讯。通过控制GPIO引脚并遵循SPI通讯协议的规则，我们可以通过软件模拟SPI通讯。在实现GPIO模拟SPI的时候，需要注意时序、数据协议、电平、速度、代码执行顺序等问题。

下面是完整的python代码示例：

import RPi.GPIO as GPIO

# 设置GPIO引脚
SPI_CLK = 11
SPI_MOSI = 10
SPI_MISO = 9
SPI_CS = 8

HIGH = GPIO.HIGH
LOW = GPIO.LOW

# 初始化GPIO引脚
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(SPI_CLK, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPI_MOSI, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPI_MISO, GPIO.IN)
GPIO.setup(SPI_CS, GPIO.OUT)

# 发送和接收数据
def spi_transfer_byte(data):
    # 发送位
    for bit in range(8):
        GPIO.output(SPI_CLK, LOW)

        if (data & 0x80):
            GPIO.output(SPI_MOSI, HIGH)
        else:
            GPIO.output(SPI_MOSI, LOW)

        data <<= 1

        GPIO.output(SPI_CLK, HIGH)

        if (GPIO.input(SPI_MISO)):
            data |= 0x1

    return data

# 示例
data = 0x55

GPIO.output(SPI_CS, LOW)

receivedByte = spi_transfer_byte(data)

GPIO.output(SPI_CS, HIGH)