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目录

一、模拟SPI核心原理（模式0）

二、前期准备

1. 硬件材料

2. 软件环境

三、核心实现：代码编写与解析

1. 通用引脚定义（主机与从机一致）

2. 主机代码实现

3. 从机代码实现

四、硬件连接步骤

五、测试与调试

1. 程序上传

2. 查看通信结果

六、常见问题与解决方案

1. 时序同步错位（核心问题）

2. 引脚选择不当

3. 缺少共地或接触不良

4. 从机进入死循环

在嵌入式开发中，SPI（串行外设接口）是常用的同步通信协议，广泛用于传感器、存储芯片、显示屏等外设的通信。ESP32自带硬件SPI外设，但在某些场景下（如硬件SPI引脚被占用、需要自定义通信引脚），模拟SPI（软件SPI）就成为了刚需。本文将详细讲解在Arduino环境下，如何实现ESP32模拟SPI的主机与从机通信，包含完整代码、硬件连接、时序分析及常见问题解决。

一、模拟SPI核心原理（模式0）

SPI通信有4种模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）定义，本文选择最常用的模式0（CPOL=0，CPHA=0），其核心时序规则如下：

• 时钟空闲状态：SCLK为低电平（CPOL=0）；

• 数据采样时机：SCLK的上升沿（第一个时钟沿）采样数据；

• 数据更新时机：SCLK的下降沿（第二个时钟沿）更新数据；

• 通信逻辑：主机产生SCLK时钟和CS片选信号，通过MOSI发送数据，从机同步通过MISO返回数据（全双工通信）。

模拟SPI的本质是通过软件控制GPIO口的电平变化，模拟上述时序，无需依赖硬件SPI外设，灵活性更高，但通信速度低于硬件SPI。

二、前期准备

1. 硬件材料

• ESP32开发板 2块（1块作为主机，1块作为从机）；

• 杜邦线 若干（至少4根，用于连接SCLK、MOSI、MISO、CS）；

• USB数据线 2根（用于给开发板供电和上传程序）；

• 面包板 1块（可选，用于规范接线，避免接触不良）。

2. 软件环境

Arduino IDE（已安装ESP32开发板支持包，若未安装，可参考官方指南：https://docs.espressif.com/projects/arduino-esp32/en/latest/installing.html）。

三、核心实现：代码编写与解析

本次实现“主机发送固定数据0x54，从机接收后返回固定数据0x77”的全双工通信，引脚定义优先选择ESP32通用GPIO（避免使用SDIO复用引脚，减少电平干扰）。

1. 通用引脚定义（主机与从机一致）

选择4个通用GPIO口，对应关系如下（可根据实际需求调整，但需保证主机与从机一一对应）：

#define SPI_SCLK 9 // 串行时钟引脚 #define SPI_MOSI 10 // 主机输出从机输入引脚 #define SPI_MISO 11 // 主机输入从机输出引脚 #define SPI_CS 12 // 片选引脚（低有效）

2. 主机代码实现

主机核心功能：初始化GPIO口、产生SCLK时钟和CS信号、通过MOSI发送数据、通过MISO接收从机数据。

/* * ESP32 模拟 SPI 主机（模式0：CPOL=0，CPHA=0） */ #define SPI_SCLK 9 // 串行时钟引脚 #define SPI_MOSI 10 // 主机输出从机输入引脚 #define SPI_MISO 11 // 主机输入从机输出引脚 #define SPI_CS 12 // 片选引脚（低有效） #define CPOL 0 // 时钟极性：空闲低 #define CPHA 0 // 时钟相位：上升沿采样 void spi_soft_init(); uint8_t spi_soft_transfer(uint8_t tx_data); void setup() { Serial.begin(115200); spi_soft_init(); Serial.println("SPI主机初始化完成！"); } void loop() { uint8_t send_data = 0x01; // 测试数据 uint8_t recv_data = spi_soft_transfer(send_data); Serial.printf("主机发送：0x%02X，主机接收（从机返回）：0x%02X\n", send_data, recv_data); delay(1000); } // 主机SPI初始化 void spi_soft_init() { pinMode(SPI_SCLK, OUTPUT); pinMode(SPI_MOSI, OUTPUT); pinMode(SPI_MISO, INPUT); pinMode(SPI_CS, OUTPUT); digitalWrite(SPI_CS, HIGH); digitalWrite(SPI_SCLK, CPOL); digitalWrite(SPI_MOSI, LOW); } // 主机全双工传输一个字节 uint8_t spi_soft_transfer(uint8_t tx_data) { uint8_t rx_data = 0; digitalWrite(SPI_CS, LOW); // 选中从机 // 增加短暂延时，确保CS拉低后从机有时间响应 delayMicroseconds(1); for (int i = 7; i >= 0; i--) { // 【关键】先输出MOSI数据，等待电平稳定（提前于SCLK上升沿） digitalWrite(SPI_MOSI, (tx_data >> i) & 0x01); delayMicroseconds(1); // 电平稳定延时 // 模式0：上升沿采样，先拉SCLK高 digitalWrite(SPI_SCLK, HIGH); delayMicroseconds(1); // 等待从机响应并稳定MISO电平 // 【关键】延时后再采样MISO，避免时序错位 rx_data |= (digitalRead(SPI_MISO) << i); // 拉低SCLK，恢复空闲电平 digitalWrite(SPI_SCLK, LOW); delayMicroseconds(1); // 可选：增加延时降低时钟速度 } digitalWrite(SPI_CS, HIGH); // 取消选中从机 return rx_data; }

3. 从机代码实现

从机核心功能：初始化GPIO口、持续监听CS信号（等待主机选中）、同步主机SCLK时钟、采样MOSI数据（接收主机数据）、通过MISO返回数据。

/* * ESP32 模拟 SPI 从机（模式0：CPOL=0，CPHA=0） * 引脚需与主机一一对应：SCLK/MOSI/CS 为输入，MISO 为输出 */ #define SPI_SCLK 9 // 主机产生的时钟，从机作为输入 #define SPI_MOSI 10 // 主机输出的数据，从机作为输入 #define SPI_MISO 11 // 从机输出的数据，主机作为输入 #define SPI_CS 12 // 主机的片选，从机作为输入 #define CPOL 0 #define CPHA 0 uint8_t slave_recv_data = 0; // 从机接收的主机数据 uint8_t slave_send_data = 0x02; // 从机要返回给主机的数据 void spi_slave_init(); void spi_slave_listen(); // 从机监听主机的通信请求 void setup() { Serial.begin(115200); spi_slave_init(); Serial.println("SPI从机初始化完成！"); } void loop() { spi_slave_listen(); // 从机持续监听主机的通信 } // 从机SPI初始化 void spi_slave_init() { pinMode(SPI_SCLK, INPUT); pinMode(SPI_MOSI, INPUT); pinMode(SPI_MISO, OUTPUT); pinMode(SPI_CS, INPUT); digitalWrite(SPI_MISO, LOW); // 初始化MISO电平 } // 从机核心：监听主机的CS和SCLK，完成数据接收和发送 void spi_slave_listen() { // 等待主机拉低CS（选中当前从机） if (digitalRead(SPI_CS) != LOW) { slave_recv_data = 0; digitalWrite(SPI_MISO, LOW); // 空闲时MISO拉低 return; } uint8_t recv_data = 0; uint8_t send_data = slave_send_data; // 从机要发送的预存数据 // 逐位处理主机的时钟和数据 for (int i = 7; i >= 0; i--) { // 【关键】在等待SCLK上升沿前，先输出当前位到MISO（提前准备数据） digitalWrite(SPI_MISO, (send_data >> i) & 0x01); delayMicroseconds(1); // 电平稳定延时 // 等待主机产生SCLK上升沿（模式0：上升沿采样） while (digitalRead(SPI_SCLK) != HIGH) { if (digitalRead(SPI_CS) == HIGH) { // 防止CS意外拉高导致死循环 return; } } // 上升沿：从机采样MOSI（接收主机的数据） recv_data |= (digitalRead(SPI_MOSI) << i); delayMicroseconds(1); // 可选：稳定延时 // 等待主机拉低SCLK（恢复空闲电平） while (digitalRead(SPI_SCLK) != LOW) { if (digitalRead(SPI_CS) == HIGH) { // 防止CS意外拉高导致死循环 return; } } } // 通信完成：更新从机的接收数据，并打印调试 slave_recv_data = recv_data; Serial.printf("从机接收主机数据：0x%02X，从机发送给主机数据：0x%02X\n", slave_recv_data, send_data); // 可选：从机发送数据自增，用于测试连续通信 // slave_send_data++; }

四、硬件连接步骤

按照以下对应关系连接主机和从机的GPIO口，确保接线牢固（面包板连接需注意杜邦线接触良好）：

注意：主机和从机必须共地，否则会因电平参考点不一致导致通信失败！

五、测试与调试

1. 程序上传

• 将主机代码上传到其中一块ESP32开发板；

• 将从机代码上传到另一块ESP32开发板；

• 上传完成后，给两块开发板通电。

2. 查看通信结果

打开Arduino IDE的“串口监视器”，分别选择两块开发板的串口（波特率设为115200），正常通信时应显示以下日志：

主机日志：

从机日志：

六、常见问题与解决方案

在实际测试中，最常见的问题是“从机能接收主机数据，但主机接收从机数据错误（如0xBB、0xFF）”，以下是核心问题及解决方法：

1. 时序同步错位（核心问题）

问题原因：主机在SCLK上升沿瞬间采样MISO，但从机未及时输出数据（从机在上升沿后才更新MISO电平），导致主机采样到旧电平。

解决方案：从机需在SCLK上升沿前输出MISO数据，主机采样前增加短暂延时（如delayMicroseconds(1)），确保电平稳定。本文提供的代码已优化此问题。

2. 引脚选择不当

问题原因：ESP32的GPIO9、10、11、12等属于SDIO复用引脚，若用于模拟SPI，可能因硬件复用导致电平异常。

解决方案：优先选择通用GPIO（如18、19、23、5、4等），避免使用SDIO、UART等复用引脚。

3. 缺少共地或接触不良

问题原因：主机与从机未共地，电平参考点不一致；面包板或杜邦线接触不良，导致信号丢失。

解决方案：确保主机和从机的GND相连；检查杜邦线是否插紧，必要时更换杜邦线或面包板。

4. 从机进入死循环

问题原因：从机的while循环（等待SCLK沿）中，若CS意外拉高，会一直循环无法退出。

解决方案：在从机的while循环中增加CS状态判断，若CS拉高则直接返回（本文代码已添加此保护）。