Pico SPI Loopback: проверка последовательной связи вашего RP2040

Введение

SPI (Sequential Peripheral Interface) — это синхронный последовательный протокол связи, широко используемый для подключения микроконтроллеров к датчикам, дисплеям и другим периферийным устройствам. В этом руководстве мы создадим простой тест SPI-петли на Raspberry Pi Pico с помощью браузерного симулятора Velxio. Pico будет отправлять байты через SPI0 и считывать их обратно, а три светодиода будут визуально показывать активность на линиях MOSI, MISO и SCK. Это отличный способ убедиться, что ваше SPI-оборудование и разводка работают корректно, прежде чем переходить к более сложным проектам.

Схема цепи pico-spi-loopback на холсте симулятора Velxio

Разбор схемы

Давайте рассмотрим компоненты и разводку в этой схеме.

Компоненты

Raspberry Pi Pico (мозг операции)
Красный светодиод — подключен к линии MOSI (GP7)
Зеленый светодиод — подключен к линии MISO (GP4)
Желтый светодиод — подключен к линии SCK (GP6)

Разводка

Выводы SPI0 на Pico распределены следующим образом:

MOSI (Master Out Slave In) — GP7 (D7 на распиновке Nano RP2040 Connect)
MISO (Master In Slave Out) — GP4 (D4)
SCK (Serial Clock) — GP6 (D6)
CS (Chip Select) — не используется в этом тесте петли

Анод (A) каждого светодиода подключается к соответствующему выводу SPI, а катод (C) — к GND (GND.1 на Pico). Цвета проводов в симуляторе:

MOSI: красный провод (#ff4444)
MISO: зеленый провод (#00cc00)
SCK: желтый провод (#ffaa00)
Земля: черный провод (#000000)

Эта простая настройка позволяет видеть активность SPI: светодиоды будут мигать при передаче данных.

Разбор кода

Вот полный скетч Arduino для Pico:

// Raspberry Pi Pico — SPI Loopback Test
// Sends bytes over SPI0 and reads the loopback response
// Default SPI0 pins: MISO=GP16, MOSI=GP19, SCK=GP18, CS=GP17

#include <SPI.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);
  Serial.println("=== Pico SPI Loopback Test ===");
  Serial.println("SPI0: MISO=GP16, MOSI=GP19, SCK=GP18");
  Serial.println();

  SPI.begin();
  SPI.beginTransaction(SPISettings(1000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));

  // Send test bytes
  byte testBytes[] = {0x55, 0xAA, 0xFF, 0x00, 0x42};
  int count = sizeof(testBytes);

  Serial.println("Sending bytes and reading loopback:");
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    byte rxByte = SPI.transfer(testBytes[i]);
    Serial.print("  TX: 0x");
    if (testBytes[i] < 16) Serial.print('0');
    Serial.print(testBytes[i], HEX);
    Serial.print("  RX: 0x");
    if (rxByte < 16) Serial.print('0');
    Serial.print(rxByte, HEX);
    Serial.print("  ");
    Serial.println(rxByte == testBytes[i] ? "MATCH" : "DIFFER");
  }

  SPI.endTransaction();
  Serial.println();
  Serial.println("SPI test complete.");
}

void loop() {
  delay(10000);
}

Как это работает

Настройка последовательного порта: Мы запускаем последовательную связь на скорости 115200 бод для вывода результатов в монитор последовательного порта.
Инициализация SPI: SPI.begin() инициализирует периферийное устройство SPI0. SPI.beginTransaction() настраивает шину с тактовой частотой 1 МГц, порядком данных MSB-first и режимом SPI 0 (CPOL=0, CPHA=0).
Тестовые данные: Мы определяем массив из пяти тестовых байтов: 0x55, 0xAA, 0xFF, 0x00 и 0x42. Они охватывают чередующиеся биты, все единицы, все нули и смешанный шаблон.
Передача в петле: Для каждого байта мы вызываем SPI.transfer(). Это одновременно отправляет байт и принимает байт, находящийся в данный момент на линии MISO. Поскольку у нас есть петля (MISO подключен к MOSI внешне или внутренне), принятый байт должен совпадать с отправленным.
Отображение результатов: Скетч выводит переданные (TX) и принятые (RX) байты в шестнадцатеричном формате, а также статус “MATCH” или “DIFFER”.
Завершение: SPI.endTransaction() освобождает шину SPI.

Ключевые концепции

Протокол SPI: SPI — это полнодуплексный синхронный протокол с одним ведущим (Pico) и одним или несколькими ведомыми. Он использует четыре провода: MOSI, MISO, SCK и CS (выбор микросхемы). В этом тесте петли мы используем только MOSI, MISO и SCK.
Петля (Loopback): Подключение MOSI к MISO позволяет ведущему получать собственные переданные данные. Это распространенный тест для проверки работоспособности SPI-оборудования и разводки.
Режимы SPI: Режим (0, 1, 2 или 3) определяет полярность и фазу тактового сигнала. Режим 0 (CPOL=0, CPHA=0) является наиболее распространенным.
Скорость передачи: Скорость передачи монитора последовательного порта (115200) должна соответствовать настройке Serial.begin() в скетче.

Типичные ошибки и советы по отладке

Неправильное назначение выводов: В комментариях к коду упоминаются выводы SPI0 по умолчанию (GP16, GP19, GP18), но фактическая разводка использует GP7, GP4 и GP6. Всегда проверяйте распиновку для вашей конкретной платы. В Velxio выводы SPI0 для Pico — GP7 (MOSI), GP4 (MISO) и GP6 (SCK).
Отсутствие заземления: Убедитесь, что катоды всех светодиодов подключены к GND. Без пути заземления светодиоды не загорятся.
Монитор последовательного порта не показывает вывод: Убедитесь, что скорость передачи установлена на 115200 в мониторе последовательного порта Velxio. Вы можете открыть его на панели инструментов редактора.
Светодиоды не мигают: Проверьте, что светодиоды подключены к правильным выводам и что код выполняется. Светодиоды будут быстро мигать во время цикла for, а затем погаснут.
Петля не работает: Если принятые байты не совпадают, проверьте, подключены ли MOSI и MISO. В этой схеме они не подключены напрямую; светодиоды являются только индикаторами. Для настоящей петли вам нужно будет соединить GP7 и GP4 проводом. Однако код все равно выполняется и выводит результаты — принятый байт будет тем, что находится на линии MISO (вероятно, 0xFF или 0x00, если она висит в воздухе).

Предлагаемые расширения

Добавьте физическую петлю: Подключите провод от GP7 (MOSI) к GP4 (MISO), чтобы фактически замкнуть данные обратно. Тогда принятые байты должны идеально совпадать.
Используйте другой режим SPI: Измените SPI_MODE0 на SPI_MODE1, SPI_MODE2 или SPI_MODE3 и понаблюдайте за эффектом на светодиодах.
Увеличьте тактовую частоту: Попробуйте 8 МГц или 16 МГц и посмотрите, будут ли светодиоды все еще видимо мигать.
Добавьте больше светодиодов: Подключите светодиоды к выводу CS (GP17) и другим GPIO для визуализации дополнительных сигналов.
Взаимодействуйте с реальным SPI-устройством: Замените петлю на SPI-датчик (например, датчик температуры) и считайте его данные.

Попробуйте сами

Готовы создать этот проект? Откройте живой пример в Velxio и начинайте экспериментировать:

Открыть Pico SPI Loopback в Velxio

Используйте панель инструментов редактора Velxio для компиляции и запуска кода, а также откройте монитор последовательного порта, чтобы увидеть результаты. Панель инструментов холста позволяет масштабировать и перемещать схему. Если вам нужно добавить компоненты, используйте средство выбора компонентов.

Панель инструментов редактора Velxio с элементами управления компиляцией и запуском