SPI串行外设接口 树莓派Pico/ESP32开发板Python与C++例程【入门教程】

一：SPI介绍

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步的通信协议，常用于微控制器与外围设备（如传感器、显示屏、ADC/DAC 等）之间的短距离通信。

1.SPI 采用主从（Master-Slave）架构，特点包括：

高速传输速率（通常可达几 Mbps）

全双工通信（可同时发送和接收数据）

同步通信（使用时钟信号同步数据传输）

支持多个从设备

2.SPI 工作逻辑：

SPI 通信主要通过 4 根线实现：

SCLK（Serial Clock）：时钟线，由主机产生，用于同步数据传输

MOSI（Master Out Slave In）：主机输出，从机输入

MISO（Master In Slave Out）：主机输入，从机输出

CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选线，用于选择通信的从设备（低电平有效）

3.SPI 工作流程：

主机通过拉低某个从设备的 CS 线选中该设备

主机产生 SCLK 时钟信号

数据在时钟信号的同步下，通过 MOSI 和 MISO 线同时传输

每个时钟周期传输一位数据

通信结束后，主机拉高 CS 线释放该从设备

树莓派 Pico的SPI 有 2 个硬件 SPI 控制器：SPI0 和 SPI1，默认引脚分配如下：其中CS 引脚可任意选择 GPIO 引脚。

二：Python示例

以下示例展示如何使用树莓派 Pico 的 SPI 接口进行通信，包含主机和从机两种模式的代码。

from machine import Pin, SPI
import time

# 初始化SPI0为主机模式
spi = SPI(0,
          baudrate=1000000,  # 1MHz
          polarity=0,        # 时钟空闲时为低电平
          phase=0,           # 数据在时钟上升沿采样
          sck=Pin(2),        # SCK引脚
          mosi=Pin(3),       # MOSI引脚
          miso=Pin(4))       # MISO引脚

# 初始化CS引脚
cs = Pin(5, Pin.OUT, value=1)  # 初始化为高电平（未选中）

def send_receive_data(data):
    cs.value(0)  # 拉低CS，选中从设备
    time.sleep_us(10)  # 短暂延时
    
    # 创建接收缓冲区（与发送数据长度相同）
    rx_data = bytearray(len(data))
    
    # 发送并接收数据
    spi.write_readinto(data, rx_data)
    
    time.sleep_us(10)
    cs.value(1)  # 拉高CS，释放从设备
    return rx_data

# 主循环
while True:
    # 发送数据
    tx_data = bytearray([0x01, 0x02, 0x03, 0x04])
    rx_data = send_receive_data(tx_data)
    
    print(f"发送: {list(tx_data)}")
    print(f"接收: {list(rx_data)}")
    
    time.sleep(1)

1.代码说明：

主机模式代码（spi_master.py）：

初始化 SPI0 为主机模式，设置波特率为 1MHz

配置 SCLK、MOSI、MISO 和 CS 引脚

send_receive_data函数实现：拉低 CS 选中设备、发送数据并接收响应、最后释放 CS

主循环中周期性发送数据并打印收发内容

从机模式代码（spi_slave.py）：

初始化 SPI0 为从机模式，参数需与主机匹配

监听 CS 引脚状态，当被选中时进行数据收发

接收主机数据的同时发送预设的响应数据

简单修改响应数据，以便观察通信效果

2.测试方法：

准备两块树莓派 Pico 板

分别将主机代码和从机代码上传到两块 Pico

按如下方式连接线路：

主机 SCLK（GP2）→ 从机 SCLK（GP2）

主机 MOSI（GP3）→ 从机 MOSI（GP3）

主机 MISO（GP4）→ 从机 MISO（GP4）

主机 CS（GP5）→ 从机 CS（GP5）

两块 Pico 共地（GND 相连）

分别给两块 Pico 上电，通过串口监视器观察通信结果

3.注意事项：

主从设备的 SPI 参数（波特率、极性、相位）必须一致

通信距离不宜过长，通常在几米以内

多从机情况下，每个从机需要独立的 CS 线

高速通信时可能需要考虑线路阻抗匹配

通过 SPI 协议，树莓派 Pico 可以高效地与各种外设进行通信，适用于需要高速数据传输的场景。

三：ESP32/C++示例

这里以ESP32开发板为例，使用Arduino IDE开发框架，Arduino已经内置的 <SPI.h> 库可以非常方便地操作 SPI。ESP32 拥有多个 SPI 控制器（如 HSPI / VSPI），以下示例使用默认的 VSPI 引脚。

#include <SPI.h>

// 定义引脚（ESP32 默认 VSPI 引脚）
const int SCK_PIN = 18;
const int MISO_PIN = 19;
const int MOSI_PIN = 23;
const int CS_PIN   = 5;

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // 初始化片选引脚
  pinMode(CS_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 默认不选中

  // 初始化 SPI 总线（使用默认 VSPI 引脚）
  SPI.begin(SCK_PIN, MISO_PIN, MOSI_PIN, CS_PIN);
  
  // 如果需要自定义时钟频率、位序和模式，可以使用 SPISettings
  // SPI.beginTransaction(SPISettings(1000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));
  
  Serial.println("ESP32 SPI 初始化完成");
}

void loop() {
  // 选中的配置参数：1MHz 频率，高位先发（MSBFIRST），SPI 模式 0
  SPISettings settings(1000000, MSBFIRST, SPI_MODE0);
  
  SPI.beginTransaction(settings);
  digitalWrite(CS_PIN, LOW); // 拉低片选，选中从设备

  // 发送读取命令并接收数据
  byte cmd = 0x9F;
  byte response1 = SPI.transfer(cmd);       // 发送命令，接收一个字节
  byte response2 = SPI.transfer(0x00);      // 发送空字节继续接收
  
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 拉高片选，结束传输
  SPI.endTransaction();

  // 打印结果
  Serial.print("ESP32 SPI 收到响应: 0x");
  Serial.print(response1, HEX);
  Serial.print(", 0x");
  Serial.println(response2, HEX);

  delay(2000);
}

1.代码说明

这段 ESP32 C++ 示例代码的核心逻辑可以拆解为 初始化（setup） 和 周期性数据通信（loop） 两个主要部分。它的本质流程是：建立 SPI 通信通道→ 打开从设备开关→边送数据边收数据→关闭开关→打印结果。

2.初始化阶段

setup() 函数在 ESP32 开机或复位后仅执行一次，主要负责外设引脚的配置和总线准备：

2.1串口初始化 (Serial.begin)

开启串口通信（波特率 115200），用于将 SPI 通信的结果打印到电脑串口监视器中。

2.2GPIO 引脚状态设置 (pinMode & digitalWrite)

将片选引脚 CS_PIN (Pin 5) 设置为输出模式。

立即将 CS_PIN 设置为 高电平（HIGH）。因为 SPI 的片选线通常是低电平有效，拉高表示目前不与任何从设备通信，防止开机时总线产生干扰信号。

3.3SPI 硬件外设初始化 (SPI.begin)

传入定义的 SCK(18)、MISO(19)、MOSI(23)、CS(5) 引脚。

ESP32 硬件内部的 SPI 控制器完成引脚复用映射，为后续的高速收发做准备。

3.周期通信阶段

loop() 函数会无限循环执行，每次循环完成一次完整的 SPI 发送与接收流程：

配置 SPI 传输参数 (SPISettings)

定义本次通信的“工作协议”：

频率：1000000 Hz (1 MHz)。

位序：MSBFIRST（最高位先发）。

时钟模式：SPI_MODE0（空闲时时钟为低电平，在第一个上升沿采样数据）。

锁定总线并开启事务 (SPI.beginTransaction)

应用上述配置，并防止其他可能使用 SPI 的中断或任务干扰当前总线。

激活目标从设备 (digitalWrite(CS_PIN, LOW))

将 CS_PIN 拉低（LOW）。这相当于告诉挂载在总线上的目标从设备：“注意，我现在要和你说话了！”

全双工数据收发 (SPI.transfer)

第一步：执行 SPI.transfer(0x9F)。ESP32 的 MOSI 线送出 0x9F（通常是外设读取 ID 的指令），同一时间 MISO 线上从设备返还的数据被 ESP32 接收并存入 response1。

第二步：执行 SPI.transfer(0x00)。为了继续读取下一个字节的数据，主机必须继续产生时钟，因此发送一个无意义的哑数据（Dummy byte, 0x00），将从设备返回的第二个字节读取到 response2 中。

关闭从设备并释放总线 (digitalWrite & SPI.endTransaction)

将 CS_PIN 拉高（HIGH），结束本次传输，从设备回到待机状态。

释放 SPI 总线控制权，允许其他 SPI 事务运行。

结果处理与延时 (Serial.print & delay)

将收到的 response1 和 response2 以十六进制格式打印出来。

delay(2000) 让程序暂停 2 秒，随后进入下一次循环。