单片机SPI单线半双工实现教程：瑞萨RA系列配置详解

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是嵌入式项目中一种非常常用的通信接口。在标准配置下，SPI通常以“双线”全双工模式工作。但你是否遇到过因产品设计限制或接线数目不足，而需要让SPI外设运行在单线半双工模式的情况？

本文将为你揭示单片机SPI实现单线半双工通信的原理与具体方法，并以瑞萨RA系列单片机为例，提供清晰的配置步骤和代码示例。

SPI半双工通信原理

所谓SPI单线半双工，是指通信链路中减少一根数据线，仅保留一根双向数据线（SDI/SDO）、时钟线（SCLK）和地线（GND），共计三根线。这种模式下，数据在同一根线上分时进行发送和接收。相较于UART，它在相同的线缆基础上，能提供更稳定的通信能力和更高的数据传输速率。

硬件连接方式

在硬件层面，实现单线半双工通常需要将MCU端的MOSI（主出从入）和MISO（主入从出）两个引脚短接。但这里有一个关键点需要注意：必须考虑双方输出电平可能冲突的风险。为了避免MCU与从设备同时输出相反电平导致的短路，建议在短接点串联一个限流电阻。

如何在单片机上实现SPI半双工？

如今，绝大多数单片机都集成了支持全双工模式的SPI外设。通过合理的软件配置，我们完全可以使其支持半双工操作。下面以瑞萨RA系列单片机为例，详细说明实现步骤。

FSP配置要点

首先，在瑞萨的FSP（Flexible Software Package）配置器中，按照实际通讯需求进行基本设置即可，包括操作模式、时钟极性相位、比特率等。DTC（数据传输控制器）功能及中断回调函数的配置，遵循FSP官方手册的指导进行。

这里存在一个核心问题：SPI外设本身是全双工设计的。即使我们调用专用的接收函数（如 R_SPI_Read），在从MISO引脚读取数据时，MOSI引脚也会同步输出时钟或空闲电平。在单线连接中，这会对从设备的数据输出产生严重干扰，甚至引发数据线短路。

因此，解决方案是：在接收数据前，临时将MOSI引脚的功能从SPI外设切换为通用输入（GPIO Input），使其在接收期间呈高阻态，避免产生干扰。接收完成后，再将其切换回SPI外设功能。

关键代码实现

以下将分步展示关键的C语言代码操作。

1. 发送数据

发送数据时，可直接调用 R_SPI_Write 或 R_SPI_WriteRead 函数，此时SPI工作在全双工发送状态，是正常的。

g_spi_complete = 0; // 清除SPI发送/接收完成标志
err = R_SPI_WriteRead(&g_spi0_ctrl, &g_spi_txbuf[0], &g_spi_rxbuf[0], 10, SPI_BIT_WIDTH_8_BITS);
if(err == FSP_SUCCESS)
    while(!g_spi_complete); // 等待直到SPI发送/接收完成
else
    return;

2. 切换到接收状态并接收数据

在需要接收数据前，我们必须先重新配置MOSI引脚。

// 将MOSI引脚切换为GPIO输入模式
R_BSP_PinAccessEnable(); // PWPR B0WI:PFSWE = 0:1 (启用PFS访问)
R_PFS->PORT[1].PIN[1].PmnPFS_b.PMR = 0; // 将MOSI引脚设置为GPIO功能
R_BSP_PinAccessDisable();

R_PORT1->PDR_b.PDR1 = 0; // 设置SPI.MOSI为GPIO输入状态

// 执行SPI接收操作
g_spi_complete = 0; // 清除SPI发送/接收完成标志
err = R_SPI_Read(&g_spi0_ctrl, &g_spi_rxbuf[0], 10, SPI_BIT_WIDTH_8_BITS);
if(err == FSP_SUCCESS)
    while(!g_spi_complete); // 等待接收完成
else
    return;

3. 还原MOSI引脚状态

数据接收完毕后，需要将MOSI引脚恢复为SPI外设功能，以便进行下一次数据发送。

// 将MOSI引脚恢复为SPI输出功能
R_PORT1->PDR_b.PDR1 = 1; // 设置MOSI为输出
R_BSP_PinAccessEnable(); // PNPR B0W1:PFSWE = 0:1 (启用PFS访问)
R_PFS->PORT[1].PIN[1].PmmPFS_b.PMR = 1; // 将MOSI设置为外设功能
R_BSP_PinAccessDisable();

// 此后可再次调用发送函数
g_spi_complete = 0;
err = R_SPI_WriteRead(&g_spi0_ctrl, &g_spi_txbuf[0], &g_spi_rxbuf[0], 10, SPI_BIT_WIDTH_8_BITS);
if(err == FSP_SUCCESS)
    while(!g_spi_complete);
else
    return;

通过以上“发送->切换GPIO->接收->恢复外设”的软件流程，即可在硬件单线连接的基础上，实现稳定可靠的SPI半双工通信。

总结

单片机SPI外设通过灵活的引脚功能重映射和软件时序控制，完全可以适配单线半双工这种特殊应用场景。关键在于理解SPI全双工硬件的特性，并在接收阶段妥善处理MOSI引脚的状态，避免总线冲突。希望这篇基于瑞萨RA单片机的实战指南能为你解决类似问题提供清晰的思路。

探索更多嵌入式系统与底层通信协议的知识，欢迎访问 云栈社区 与广大开发者交流讨论。