[onstep] OnStep项目SPI通信实现总结

引言#

OnStep 系统在 ESP32 平台上与 TMC 驱动器交互时，未直接使用硬件 SPI，而是采用了软件模拟（Bit-Banging）方案。本文通过分析源码记录其底层实现细节及设计原因。

1. 核心机制：软件模拟 SPI#

TIP
OnStep 通过 bbspi 类手动控制 GPIO 电平翻转，模拟标准的串行移位过程。

1.1 实现逻辑#

核心逻辑位于 src/lib/SoftSPI.h 中。除了单字节传输，它还提供了高效的 32 位传输函数：

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// 摘自 src/lib/SoftSPI.h
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uint32_t bbspi::transfer32(uint32_t data_out) {
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  uint32_t data_in = 0;
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  for(int i=31; i >= 0; i--) {
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    digitalWrite(_sck, LOW);
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    digitalWrite(_mosi, bitRead(data_out, i));
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    delaySPI;
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    digitalWrite(_sck, HIGH);
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    if (_miso >= 0) bitWrite(data_in, i, digitalRead(_miso));
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    delaySPI;
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  }
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  return data_in;
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}

2. 协议参数与时序#

SPI 模式: 源码注释明确为 Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1)。
时钟空闲: digitalWrite(_sck, HIGH)。
通信频率: 由 delaySPI 宏控制。在 src/HAL/ESP32/ESP32.h 中：

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#define delaySPI delayNanoseconds(500)

NOTE
单次位翻转包含两次 delaySPI，实际 SPI 频率约为 1MHz。这在保障长线缆抗干扰性的同时，满足了驱动器配置的需求。

3. 数据封包：TMC 40-bit 结构#

针对 TMC 驱动器，单次读写由 1 字节地址和 4 字节数据组成。src/lib/TMC_SPI.h 实现了具体的封包逻辑：

3.1 写操作实现#

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// 摘自 src/lib/TMC_SPI.h
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uint8_t tmcSpiDriver::write(byte Address, uint32_t data_out) {
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  Address = Address | 0x80;        // 第 1 位设为 1 表示写操作
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  uint8_t status_byte = BBSpi.transfer(Address); // 发送地址，获取状态字节
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  BBSpi.transfer32(data_out);      // 发送 32 位配置数据
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  return status_byte;
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}

3.2 读操作实现#

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uint8_t tmcSpiDriver::read(byte Address, uint32_t* data_out) {
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  Address = Address & ~0x80;       // 第 1 位设为 0 表示读操作
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  uint8_t status_byte = BBSpi.transfer(Address);
4
  *data_out = BBSpi.transfer32(*data_out);
5
  return status_byte;
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}

4. 工程设计考量#

IMPORTANT

确定性定时: 软件模拟 SPI 避免了硬件 SPI 中断或 DMA 可能对电机脉冲生成（ISR）造成的抖动干扰。

引脚灵活性: 允许在 Config.h 中映射至任意可用 GPIO，不依赖硬件 SPI 专用引脚。

一致性: bbspi 类可无缝跨平台（AVR, STM32, ESP32）运行，降低了维护成本。

总结#

OnStep 的 SPI 实现体现了工程上的资源取舍：通过放弃极高的传输速度，换取了系统的实时确定性与极强的硬件适配性。这种设计对于需要精确定时和支持多样化 DIY 硬件的天文跟踪系统至关重要。