Pico SPI 回环测试：验证你的 RP2040 串行通信

简介

SPI（串行外设接口）是一种同步串行通信协议，广泛用于将微控制器与传感器、显示屏及其他外设连接。在本教程中，我们将使用 Velxio 浏览器内模拟器在 Raspberry Pi Pico 上构建一个简单的 SPI 回环测试。Pico 将通过 SPI0 发送字节并读取回传数据，同时三个 LED 分别直观显示 MOSI、MISO 和 SCK 线路上的活动。这是在转向更复杂项目之前，验证 SPI 硬件和接线是否正常工作的绝佳方式。

Velxio 模拟器画布上的 pico-spi-loopback 电路图

电路详解

让我们看看这个电路中的元件和接线。

元件

Raspberry Pi Pico（操作核心）
红色 LED – 连接到 MOSI 线（GP7）
绿色 LED – 连接到 MISO 线（GP4）
黄色 LED – 连接到 SCK 线（GP6）

接线

Pico 的 SPI0 引脚映射如下：

MOSI（主出从入） – GP7（Nano RP2040 Connect 引脚排列上的 D7）
MISO（主入从出） – GP4（D4）
SCK（串行时钟） – GP6（D6）
CS（片选） – 本回环测试中未使用

每个 LED 的阳极（A）连接到相应的 SPI 引脚，阴极（C）连接到 GND（Pico 上的 GND.1）。模拟器中的导线颜色为：

MOSI：红色导线（#ff4444）
MISO：绿色导线（#00cc00）
SCK：黄色导线（#ffaa00）
地线：黑色导线（#000000）

这种简单的设置让你能够看到 SPI 活动：LED 会在数据传输时闪烁。

代码详解

以下是 Pico 的完整 Arduino 代码：

// 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);
}

工作原理

串口设置：我们以 115200 波特率启动串行通信，以便将结果打印到串口监视器。
SPI 初始化：SPI.begin() 初始化 SPI0 外设。SPI.beginTransaction() 将总线配置为 1 MHz 时钟速度、MSB 优先数据顺序和 SPI 模式 0（CPOL=0, CPHA=0）。
测试数据：我们定义了一个包含五个测试字节的数组：0x55、0xAA、0xFF、0x00 和 0x42。这些涵盖了交替位、全 1、全 0 和混合模式。
回环传输：对于每个字节，我们调用 SPI.transfer()。这会同时发送一个字节并接收当前 MISO 线上的字节。由于我们有一个回环（MISO 在外部或内部连接到 MOSI），接收到的字节应与发送的字节匹配。
结果显示：代码以十六进制打印发送（TX）和接收（RX）的字节，以及“MATCH”或“DIFFER”状态。
清理：SPI.endTransaction() 释放 SPI 总线。

关键概念

SPI 协议：SPI 是一种全双工同步协议，有一个主设备（Pico）和一个或多个从设备。它使用四根线：MOSI、MISO、SCK 和 CS（片选）。在此回环测试中，我们只使用 MOSI、MISO 和 SCK。
回环：将 MOSI 连接到 MISO 允许主设备接收自己发送的数据。这是验证 SPI 硬件和接线是否正常工作的常见测试。
SPI 模式：模式（0、1、2 或 3）定义了时钟极性和相位。模式 0（CPOL=0, CPHA=0）是最常见的。
波特率：串口监视器波特率（115200）必须与代码中的 Serial.begin() 设置一致。

常见陷阱与调试技巧

引脚映射错误：代码注释提到了默认的 SPI0 引脚（GP16、GP19、GP18），但实际接线使用了 GP7、GP4 和 GP6。务必验证你特定板子的引脚排列。在 Velxio 中，Pico 的 SPI0 引脚是 GP7（MOSI）、GP4（MISO）和 GP6（SCK）。
缺少接地：确保所有 LED 的阴极都连接到 GND。如果没有接地路径，LED 不会亮起。
串口监视器无输出：确保 Velxio 串口监视器的波特率设置为 115200。你可以从编辑器工具栏打开它。
LED 不闪烁：检查 LED 是否连接到正确的引脚，并且代码是否正在运行。LED 会在 for 循环期间快速闪烁，然后保持熄灭。
回环不工作：如果接收到的字节不匹配，请验证 MOSI 和 MISO 是否连接。在此电路中，它们没有直接连接；LED 只是指示器。要实现真正的回环，你需要用一根导线将 GP7 连接到 GP4。不过，代码仍然会运行并打印结果——接收到的字节将是 MISO 线上的任何值（如果悬空，很可能是 0xFF 或 0x00）。

建议的扩展

添加物理回环：用一根导线将 GP7（MOSI）连接到 GP4（MISO），以实际回传数据。这样接收到的字节应该完全匹配。
使用不同的 SPI 模式：将 SPI_MODE0 改为 SPI_MODE1、SPI_MODE2 或 SPI_MODE3，观察对 LED 的影响。
提高时钟速度：尝试 8 MHz 或 16 MHz，看看 LED 是否仍然可见地闪烁。
添加更多 LED：将 LED 连接到 CS 引脚（GP17）和其他 GPIO，以可视化更多信号。
与真实 SPI 设备交互：用 SPI 传感器（例如温度传感器）替换回环，并读取其数据。