使用GPIO模擬SPI

在現代電子設備中，SPI被廣泛應用於感測器、存儲器和其它外設。毫無疑問，SPI是一種非常有用的通訊協議。但是，並不是所有的晶元都支持SPI，甚至對於有硬體SPI支持的晶元而言，軟體模擬SPI也是一個有用的技術。

一、GPIO模擬SPI的實現原理

GPIO模擬SPI的原理非常簡單明了：使用三個GPIO引腳模擬SPI的時鐘、數據輸入和數據輸出。

對於傳輸數據而言，我們需要模擬SPI的時鐘信號來同步兩個SPI設備之間數據的傳輸。每個SPI設備都會有一些數據發送到另一個SPI設備。在每個數據位傳輸的開始，時鐘信號將被發送到目標設備。一旦時鐘信號被發送，目標設備將讀取數據並將其存儲在內部緩衝器中，同時該目標設備將準備下一次傳輸的數據。

由於SPI採用全雙工通信，一個設備可以在傳輸期間同時接收和發送數據。因此，我們需要兩個GPIO引腳模擬SPI的雙向數據線。在數據傳輸期間，設備將在其中一個GPIO引腳上輸出數據，而另一個設備將在另一個GPIO引腳上輸出數據。雙向數據線的工作類似於1對多的數據匯流排，其中多個設備可以向匯流排發送數據。

簡而言之，模擬SPI需要三個GPIO引腳。3個GPIO分別用於：時鐘信號、數據輸入和數據輸出。這些引腳需要設置為輸出或輸入模式，以便向目標設備發送或讀取數據。

二、GPIO模擬SPI的硬體需求

為了實現GPIO模擬SPI，我們需要一個具有足夠GPIO引腳的板子，例如樹莓派、Arduino等。

在樹莓派3B+或更高版本上，我們可以使用GPIO2引腳作為SPI時鐘信號線，GPIO3引腳作為數據引腳（MOSI）和GPIO4引腳作為數據返回引腳（MISO）。這些引腳都是數字IO引腳，可以通過GPIO庫進行編程。對於樹莓派2及更早版本，SPI主從機信號線可能會有所不同，需要參考官方文檔。

另外，我們需要使用跳線將晶元的CLK、MOSI和MISO引腳連接到樹莓派的GPIO引腳上。

三、使用Python在樹莓派上實現GPIO模擬SPI

1. 安裝RPi.GPIO庫

在Python中，我們使用RPi.GPIO庫來控制樹莓派的GPIO引腳。安裝RPi.GPIO庫只需要使用pip即可。

sudo pip install RPi.GPIO

2. 初始化GPIO引腳

在開始使用GPIO引腳之前，我們需要初始化它們。這可以通過RPi.GPIO庫的setmode()函數來完成。setmode()函數可以將引腳編號方式設置為BCM（Broadcom SOC）或BOARD模式。我們選擇使用BCM模式。

import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設置時鐘信號引腳
GPIO.setup(SPI_CLK, GPIO.OUT)

# 設置MOSI引腳
GPIO.setup(SPI_MOSI, GPIO.OUT)

# 設置MISO引腳
GPIO.setup(SPI_MISO, GPIO.IN)

3. 實現SPI傳輸函數

我們現在可以實現一個函數，該函數將使用三個GPIO引腳實現SPI通訊。

def spi_transfer_byte(data):
    # 發送位
    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. 發送和接收數據

使用spi_transfer_byte()函數可以發送和接收數據。下面是一個例子，向一個設備發送一個位元組並接收一個位元組：

data = 0x55

GPIO.output(SPI_CS, LOW)

receivedByte = spi_transfer_byte(data)

GPIO.output(SPI_CS, HIGH)

在此代碼片段中，首先使用GPIO輸出LOW信號將Chip Select（CS）線置為LOW，從而選中SPI設備。然後使用spi_transfer_byte()函數發送一個位元組並接收一個位元組。最後，將CS線恢復為HIGH以釋放SPI設備。

四、針對GPIO模擬SPI的一些注意事項

在實現GPIO模擬SPI時，需要注意以下幾點：

1. 時序要求

SPI通訊需要考慮時序問題。如果時序不正確，就會導致通訊失敗。在實現GPIO模擬SPI時，需要確保時序合理。

2. 數據協議

為了成功實現SPI通訊，所有通訊的設備都要遵守協議。從設備需要在發起通訊之前被選擇，以接收來自主設備的正確信息。主設備應該知道數據傳輸的格式和大小。

3. 電平問題

一些SPI設備在操作期間，可能會改變信號電平。這可以在硬體上實現的，但是對於某些低端晶元而言，可能需要通過軟體控制電平。因此，在模擬SPI時，必須考慮到此問題以確保正確通訊。

4. 速度問題

SPI通訊，特別是在高速模式下，可能會面臨一些問題。時鐘頻率應該合理。較高的時鐘頻率將使信號更易出錯，因為即使時間誤差很小，也會產生嚴重問題。在開始通訊之前，應該確保設置了合適的時鐘頻率。

5. 代碼執行順序

根據SPI協議，主設備將發送命令位元組到一個從設備，並在接收應答位元組後結束通訊。因此，在代碼中必須記得先發送命令，再接收應答。

五、總結

通過利用GPIO模擬SPI，可以使得低成本的設備（如樹莓派）通過軟體控制也能實現SPI通訊。通過控制GPIO引腳並遵循SPI通訊協議的規則，我們可以通過軟體模擬SPI通訊。在實現GPIO模擬SPI的時候，需要注意時序、數據協議、電平、速度、代碼執行順序等問題。

下面是完整的python代碼示例：

import RPi.GPIO as GPIO

# 設置GPIO引腳
SPI_CLK = 11
SPI_MOSI = 10
SPI_MISO = 9
SPI_CS = 8

HIGH = GPIO.HIGH
LOW = GPIO.LOW

# 初始化GPIO引腳
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)

# 發送和接收數據
def spi_transfer_byte(data):
    # 發送位
    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)