基于单片机I/O口模拟的SPI串行通信实现

【摘要】基于单片机或ARM芯片的普通I/O口，模拟实现SPI串行通信。模拟SPI通信需严格时钟时序，只有当主器件模拟的SPI时序与从器件的SPI时序完全一致时，才能实现SPI通信的正常数据交换。

【关键词】I/O口；SPI时序；主器件；从器件

1.引言

SPI（SeIial Peripheral Interfa即串行设备接口）总线技术是一种高效率的串行接口技术，主要用于扩展外设和进行数据交换。在许多单片机中，已经作为一种标准配置。但某些应用非常广泛的单片机并不带标准SPI接口，这样就限制了在这些系统中使用带SPI接口的器件。解决该问题的方法是使用单片机的普通I/O口通过软件模拟的方式实现SPI串口通信，以满足应用需求。此外，采用标准的SPI接口有很多局限性，在设备开发和扩展增加负担，而通过I/O口模拟实现SPI通信将不受这些限制，可轻松实现其开发和扩展，灵活性更大；通过I/O口模拟SPI通信，其通用性和可移植性强，实现简单、方便。

2.SPI总线概述

SPI通信的总线形式一般采用4线制，即为使能控制线SN、始终控制线SCLK、主出从入线MOSI和主入从出线MISO。可实现一个主控制器挂接多个从控制器，如图1所示，为SPI总线框图。

使能控制线SN完成对从控制器的片选，当需要与某个控制通信时，将SN置于打开（高或者低，根据不同芯片分别对待）状态，使从控制器处于可通信状态，同时时钟控制线SCLK用于控制SPI通信的时序，该时序需与从控制器的SPI时序保持完全一致，这样才能保证SPI通信的实现。主出从入线MOSI为SPI串口通信数据输出线，主入从出线MISO为SPI串口通信数据输入线。

当主控制器MCU只与一个从控制器通信或所选从控制器无使能控制端时，使能控制线SN可不用，即3线制SPI通信，也可实现模拟SPI通信。

3.SPI通信时序控制

相对于标准的SPI通信接口，通过I/O口模拟的SPI通信，其模拟时序要求很严格，即主控制器模拟的SPI时序必须与从控制器的SPI通信时序保持一致，否则会导致在通信时出现接收不到数据或是接收数据错误的情况。SPI通信的时序控制是通过时钟控制线SCLK来模拟完成的。所以说，严格、标准的SPI时序是完成SPI通信的关键。

时钟控制线SCLK可以是高电平触发也可以是低电平触发，该模式由从控制器的触发时钟决定，不可随意改变。SCLK触发1次，在对应的MOSI或是MISO输出或是输入1次，即1位（bit），其以移位寄存器的方式进行操作，完成1个字节（byte）的读或写需循环进行8次。数据传输时是高位在前，低位在后。

假如某芯片即从控制器的工作时序如图2所示。由图可知，将其使能置低时有效，即片选成功可进行SPI通信。该芯片在SLCK上升沿是完成读操作，即主控制器完成输出操作，在SCLK下降沿时完成写操作，即主控制器完成输入操作。当SCLK制造第1个上升沿时，主控制器输出数据的最高位即Bit7；当SCLK制造第2个上升沿时，主控制器输出数据的Bit6，依此类推，8次上升沿触发后就完成了1个字节的输出。同样的原理，当SCLK制造第1个下降沿时，主控制器读取数据的最高位即Bit7；当SCLK制造第2个下降沿时，主控制器读取数据的Bit6，依此类推，8次下降沿触发后就完成了1个字节的读取。

4.SPI通信实现

通过第二节对SPI通信时序控制的描述，可以非常简单的实现模拟SPI串口通信。笔者将以两种较有代表性的单片机与某磁传感芯片的软件实现为例，给出通过I/O口模拟实现SPI通信的例子。需说明的是，例程中在MSP430例程中的读操作按1次读1个字节完成；而在JN5148例程中的读操作按1次读2个字节完成。以下2个例程全部已用于实际产品研制中，通信可靠，完全满足实际应用要求。

4.1 基于MSP430单片机

首先，我们先定义模拟SPI接口所需的I/O口，定义P4.4为输出MOSI，P5.0为输入MISO，P4.5为SCLK信号，软件实现如下。

数据输出的代码为：

代码说明：⑴循环8次，即输出1个字节；⑵P4.5输出0，SCLK下降沿；⑶data为输出的字节，若其高位为1，则输出1，否则输出0；⑷P4.4输出1；⑸否则P4.4输出0；⑹P4.5输出1，SCLK上升沿；⑺数据data按位右移；⑻循环8次，即输入1个字节；⑼数据data按位右移；⑽P4.5输出0，SCLK下降沿；⑾读P5.0端口，若其高位为1，则输入为1，否则输入为0；⑿读取数为1；⒀读取数为0；⒁P4.5输出1，SCLK上升沿。

4.2 基于JN5148模块

与上节类似，我们先对I/O进行初始化。定义DIO_9为输出MOSI，DIO_10为输入MISO，DIO_11为SCLK信号。软件实现如下。

数据输出的代码为：

此处与3.1节中类似的代码将不再详细解释，只择重点说明。⒂DIO_11输出0，SCLK下降沿，函数DIO_ONorOFF（DIO_11，1）的意思为将DIO_11输出1，即置高；⒃DIO_9输出1；⒄读所有DIO数据；⒅取DIO数据的第10位的数，即输入。

5.模拟SPI通信时需注意的问题

模拟SPI作为一种串行设备接口用于数据交换，在实际应用中，需注意以下几点。

（1）模拟SPI通信必须严格时序，否则会出现无法读取或是写入数据，不能完成数据交换；或是出现读取数据不完全，即数据错误等情况；

（2）SPI接口芯片数据的读写发生在时钟信号的上升沿或是下降沿。在进行编程时应保证数据足够的处理时间，即数据处理稳定后再进行数据的读写操作，以免出现数据读写不完全而出错；

（3）在进行数据交换时，应注意通信字节位发出的顺序，即是高位在前，低位在后还是高位在后，低位在前。

6.总结

基于单片机的普通I/O口，通过软件模拟的方式实现的SPI串行通信，其实现简单方便。在广泛的实际应用中，也验证了其功能的可靠性、稳定性。而且，模拟SPI通信在不同的单片机或是微芯片具有很强的通用性和移植性，可完全取代标准SPI接口。

参考文献

[1]胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2]PNI Sensor Corpration.RM3000 & RM2000 Sensor Suite User Manual，2011.