SPI 回环测试：使用 Velxio 掌握协议

简介

串行外设接口（SPI）是一种同步串行通信协议，广泛用于将微控制器连接到传感器、显示屏和存储芯片。在本教程中，我们将使用 Velxio 模拟器构建一个 SPI 回环测试。回环测试通过 SPI 发送字节并读取响应，以确认协议正常工作。由于没有物理从设备，模拟器会返回发送的字节，这使得它成为无需任何硬件即可学习 SPI 的理想方式。

电路讲解

让我们从搭建电路开始。我们需要的唯一组件是一块 Arduino Uno，将其放置在画布上。

要添加 Arduino Uno，请点击画布工具栏上的“+”图标，打开组件选择器。

搜索“Arduino Uno”并将其放置在画布上。Arduino Uno 有专用的 SPI 引脚：

• MOSI（主出从入）– 引脚 11
• MISO（主入从出）– 引脚 12
• SCK（串行时钟）– 引脚 13
• SS（从选择）– 引脚 10（我们将用作片选）

在此回环测试中，我们不需要任何外部接线，因为 SPI 信号在 Arduino 内部。但是，我们必须确保 SS 引脚（引脚 10）配置为输出，并在初始时拉高，在通信期间拉低。代码会处理这些。

代码讲解

现在让我们检查代码。点击编辑器工具栏中的“代码”选项卡，打开代码编辑器。

代码使用 Arduino C++ 编写，并使用了内置的 SPI.h 库。无需外部库。

// SPI Loopback Test
// Sends bytes via SPI and logs the exchange.
// Without a physical slave, the emulator returns the sent byte.

#include <SPI.h>

#define SS_PIN 10

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("========================");
  Serial.println("  SPI Protocol Test");
  Serial.println("========================");
  Serial.println();

  pinMode(SS_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SS_PIN, HIGH);
  SPI.begin();
  SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV16);

  Serial.println("SPI initialized.");
  Serial.print("Clock divider: 16 (");
  Serial.print(F_CPU / 16);
  Serial.println(" Hz)");
  Serial.println();

  // Send test pattern
  Serial.println("Sending test pattern via SPI:");
  byte testData[] = {0xAA, 0x55, 0xFF, 0x00, 0x42, 0xDE, 0xAD, 0xBE};

  digitalWrite(SS_PIN, LOW);  // Select slave

  for (int i = 0; i < sizeof(testData); i++) {
    byte sent = testData[i];
    byte received = SPI.transfer(sent);

    Serial.print("  TX: 0x");
    if (sent < 16) Serial.print("0");
    Serial.print(sent, HEX);
    Serial.print("  RX: 0x");
    if (received < 16) Serial.print("0");
    Serial.print(received, HEX);

    if (sent == received) {
      Serial.println("  (loopback OK)");
    } else {
      Serial.println();
    }
  }

  digitalWrite(SS_PIN, HIGH);  // Deselect slave

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

void loop() {
  delay(1000);
}

让我们分解关键部分：

• #include <SPI.h>：包含 Arduino SPI 库。
• #define SS_PIN 10：将从选择引脚定义为引脚 10。
• setup()：以 9600 波特率初始化串行通信，将 SS 引脚设置为输出并拉高，然后调用 SPI.begin() 初始化 SPI 外设。时钟分频器设置为 16，时钟频率为 F_CPU / 16（对于 16 MHz 的 Arduino 为 1 MHz）。
• 测试模式：一个包含 8 个字节的数组（0xAA, 0x55, 0xFF, 0x00, 0x42, 0xDE, 0xAD, 0xBE）被逐个发送。
• digitalWrite(SS_PIN, LOW)：选择从设备（在回环中，这只是一个逻辑步骤）。
• SPI.transfer(sent)：发送一个字节并同时接收一个字节。在回环中，接收到的字节等于发送的字节。
• 串行输出：每次传输都以十六进制格式打印，如果发送和接收的字节匹配，则附加“(loopback OK)”。
• digitalWrite(SS_PIN, HIGH)：传输完成后取消选择从设备。
• loop()：除了一个延迟外为空，因为测试仅在 setup() 中运行一次。

关键概念

• SPI 协议：SPI 是一种同步、全双工协议，有四条线：MOSI、MISO、SCK 和 SS。主设备生成时钟并控制从设备选择。
• 回环：将 MOSI 连接到 MISO（或使用回显的模拟器）允许在没有外部从设备的情况下测试 SPI 硬件。
• 时钟分频器：SPI.setClockDivider() 函数设置相对于系统时钟的 SCK 频率。较低的分频器意味着更快的通信。
• SPI.transfer()：此函数同时发送和接收一个字节。它是 SPI 通信的核心。

常见陷阱与调试技巧

• SS 引脚配置：SS 引脚必须配置为输出；否则，SPI 硬件可能会自动切换到从模式。始终设置 pinMode(SS_PIN, OUTPUT) 并在空闲时将其拉高。
• 波特率不匹配：确保串行监视器波特率与 Serial.begin(9600) 匹配。在 Velxio 中，串行监视器会自动打开。
• 时钟极性和相位：默认 SPI 模式（模式 0）使用 SCK 空闲低电平并在上升沿采样数据。如果您的从设备需要不同的模式，请使用 SPI.setDataMode()。
• 无外部接线：在此回环测试中，不需要接线。如果您要连接实际的从设备，请仔细检查连接：MOSI 到 MOSI，MISO 到 MISO，SCK 到 SCK，SS 到 SS。

建议的扩展

• 添加外部从设备：通过添加第二个 Arduino 作为从设备并编写从设备草图，模拟传感器或显示屏。
• 更改时钟速度：尝试不同的时钟分频器（例如 SPI_CLOCK_DIV2、SPI_CLOCK_DIV128），并观察对传输速度的影响。
• 发送更多数据：修改测试模式以发送字符串或传感器读数。
• 使用中断：实现带中断的 SPI 通信，以实现非阻塞传输。

亲自尝试

准备好开始了吗？在 Velxio 中打开实时示例并运行模拟。您将看到串行输出显示每个发送和接收的字节，确认回环成功。

在 Velxio 中打开 SPI 回环测试

祝模拟愉快！