什么是 SPI

和上一篇文章的 I2C 总线一样,SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)也是设备与设备间通信方式的一种。SPI
是一种全双工(数据可以两个方向同时传输)的串行通信总线,由摩托罗拉于上个世纪 80 年代开发[1]
<https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface>,用于短距离设备之间的通信。SPI 包含
4 根信号线,一根时钟线 SCK(Serial Clock,串行时钟),两根数据线 MOSI(Master Output Slave
Input,主机输出从机输入)和 MISO(Master Input Slave Output,主机输入从机输出),以及一根片选信号 CS(Chip
Select,或者叫 SS,Slave
Select)。所谓的时钟线就是一种周期,两台设备数据传输不能各发各的,这样就没有意义,因此需要一种周期去对通信进行约束;数据线就是按照 MOSI 和
MISO 的中文翻译理解即可;片选信号用于主设备选择 SPI 上的从设备,I2C 是靠地址选择设备,而 SPI
靠的是片选信号,一般来说要选择哪个从设备只要将相应的 CS 线设置为低电平即可,特殊情况需要看数据手册。下图展示了一个 SPI 主设备和三个 SPI
从设备的示意图。




图源:Wikipedia <https://en.wikipedia.org/wiki/File:SPI_three_slaves.svg>



SPI 还有一个重要的概念就是时钟的极性(CPOL,Clock Polarity)和相位(CPHA,Clock
Phase),对其这里不过多解释,我们只需要知道极性和相位的组合构成了 SPI 的传输模式(SPI Mode)。在数据手册中,只要是 SPI
通信协议的,一定会给出传输模式,我们根据数据手册进行设置即可。SPI 的传输模式是有固定编号的,下表给出了各个模式,常用的模式有 Mode0 和 Mode3。

SPI Mode CPOL CPHA
Mode0 0 0
Mode1 0 1
Mode2 1 0
Mode3 1 1



该时序图显示了时钟的极性和相位。图源:Wikipedia
<https://en.wikipedia.org/wiki/File:SPI_timing_diagram2.svg>



SPI 相比较 I2C 最大的优点就是传输速率高,并且数据在同一时间内可以双向传输,这都得益于它的两根输入和输出数据线。当然缺点也很明显,比 I2C
多了两根线,这就要多占用两个 IO 接口。而且 SPI 采用 CS 线去选择设备,不像 I2C 有寻址机制,如果你有很多个 SPI 设备需要连接的话 IO
接口的占用数量是相当高的。

在 Raspberry Pi 的引脚中,引出了两组 SPI 接口。但有意思的是,在 Raspbian 中 SPI-1 是被禁用的,你需要修改一些参数去启用
SPI-1。SPI 接口的引脚编号如下图所示。

  提示

如何在 Raspbian 上开启 SPI-1?(在 Win10 IoT 上 SPI-1 是开启的)
1. 使用编辑器打开 /boot/config.txt ,如:sudo nano /boot/config.txt 2. 添加
dtoverlay=spi1-3cs 并保存 3. 重启



Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引脚图



相关类

SPI 操作的相关类位于 System.Device.Spi 和 System.Device.Spi.Drivers 命名空间下。

SpiConnectionSettings

SpiConnectionSettings 类位于 System.Device.Spi 命名空间下,表示 SPI 设备的连接设置。
public sealed class SpiConnectionSettings { // 构造函数 // busId 是 SPI 的内部 ID //
chipSelectLine 是 CS Pin 的编号(在 Raspberry Pi 上,SPI-0 对应 0 和 1,SPI-1 对应 2) public
SpiConnectionSettings(int busId, int chipSelectLine); // 属性 // SPI 传输模式 public
SpiMode Mode { get; set; } // SPI 时钟频率 public int ClockFrequency { get; set; }
// CS 线激活状态(即高电平选中设备还是低电平选中设备) public PinValue ChipSelectLineActiveState { get;
set; } }
UnixSpiDevice 和 Windows10SpiDevice

UnixSpiDevice 和 Windows10SpiDevice 类位于 System.Device.Spi.Drivers
命名空间下。两个类均派生自抽象类SpiDevice,分别代表 Unix 和 Windows10 下的 SPI
控制器,使用时按照所处的平台有选择的进行实例化。这里以UnixSpiDevice 类为例说明。
public class UnixSpiDevice : SpiDevice { // 构造函数 // 需要传入一个
SpiConnectionSettings 对象 public UnixSpiDevice(SpiConnectionSettings settings);
// 方法 // 从从设备中读取一段数据,数据长度由 Span 的长度决定 public override void Read(Span<byte>
buffer); // 从从设备中读取一个字节的数据 public override byte ReadByte(); // 全双工传输,即主从设备同时传输
// writeBuffer 为要写入从设备的数据 // readBuffer 为要从从设备中读取的数据 // 需要注意的是 writeBuffer 和
readBuffer 需要长度一致 public override void TransferFullDuplex(ReadOnlySpan<byte>
writeBuffer, Span<byte> readBuffer); // 向从设备中写入一段数据,通常 Span
中的第一个数据为要写入数据的寄存器的地址 public override void Write(ReadOnlySpan<byte> buffer); //
向从设备中写入一个字节的数据,通常这个字节为寄存器的地址 public override void WriteByte(byte value); }
SPI 的通信步骤

*
初始化 SPI 连接设置 SpiConnectionSettings

一般情况下,我们只需要配置 SPI 的 ID,CS 的编号,时钟频率和 SPI 传输模式。其中像时钟频率、传输模式等设置都来自于设备的数据手册。比如要使用
Raspberry Pi 的 SPI-0 去操作一个时钟频率为 5 MHz,SPI 传输模式为 Mode3 的设备,代码如下:
SpiConnectionSettings settings = new SpiConnectionSettings(busId: 0,
chipSelectLine: 0) { ClockFrequency = 5000000, Mode = SpiMode.Mode3 };
*
读取和写入

读取和写入与 I2C 类似,这里不再过多赘述,详见上一篇博客,这里只提供一个代码示例。唯一要说明的就是使用全双工通信 TransferFullDuplex()
时,要求写入的数据和读取的数据长度要一致,并且能否使用也需要看设备是否支持。比如从地址为 0x00 的寄存器中向后连续读取 8 个字节的数据,并且向地址为
0x01 的寄存器写入一个字节的数据,代码如下:
// 读取 sensor.WriteByte(0x00); Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8];
sensor.Read(readBuffer); // 写入 Span<byte> writeBuffer = stackalloc byte[] {
0x01, 0xFF }; sensor.Write(writeBuffer); // 全双工读取 Span<byte> writeBuffer =
stackalloc byte[8]; Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8]; writeBuffer[0]
= 0x00; sensor.TransferFullDuplex(writeBuffer, readBuffer);
加速度传感器读取实验

本实验选用的是三轴加速度传感器 ADXL345 ,数据手册地址:
http://wenku.baidu.com/view/87a1cf5c312b3169a451a47e.html
<http://wenku.baidu.com/view/87a1cf5c312b3169a451a47e.html> 。

传感器图像



硬件需求

名称 数量
ADXL345 x1
杜邦线 若干
电路



* VCC - 3.3 V
* GND - GND
* CS - CS0 (Pin24)
* SDO - SPI0 MISO (Pin21)
* SDA - SPI0 MOSI (Pin19)
* SCL - SPI0 SCLK (Pin23)
代码

* 打开 Visual Studio ,新建一个 .NET Core 控制台应用程序,项目名称为“Adxl345”。
* 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。
*
新建类 Adxl345,替换如下代码:
public class Adxl345 : IDisposable { #region 寄存器地址 private const byte
ADLX_POWER_CTL = 0x2D; // 电源控制地址 private const byte ADLX_DATA_FORMAT = 0x31; //
范围地址 private const byte ADLX_X0 = 0x32; // X轴数据地址 private const byte ADLX_Y0 =
0x34; // Y轴数据地址 private const byte ADLX_Z0 = 0x36; // Z轴数据地址 #endregion private
SpiDevice _sensor = null; private readonly int _range = 16; // 测量范围(-8,8)
private const int Resolution = 1024; // 分辨率 #region SpiSetting /// <summary>
/// ADX1345 SPI 时钟频率 /// </summary> public const int SpiClockFrequency =
5000000; /// <summary> /// ADX1345 SPI 传输模式 /// </summary> public const SpiMode
SpiMode = System.Device.Spi.SpiMode.Mode3; #endregion /// <summary> /// 加速度 ///
</summary> public Vector3 Acceleration => ReadAcceleration(); /// <summary> ///
实例化一个 ADX1345 /// </summary> /// <param name="sensor">SpiDevice</param> public
Adxl345(SpiDevice sensor) { _sensor = sensor; // 设置 ADXL345 测量范围 // 数据手册 P28,表
21 Span<byte> dataFormat = stackalloc byte[] { ADLX_DATA_FORMAT, 0b_0000_0010
}; // 设置 ADXL345 为测量模式 // 数据手册 P24 Span<byte> powerControl = stackalloc byte[]
{ ADLX_POWER_CTL, 0b_0000_1000 }; _sensor.Write(dataFormat);
_sensor.Write(powerControl); } /// <summary> /// 读取加速度 /// </summary> ///
<returns>加速度</returns> private Vector3 ReadAcceleration() { int units =
Resolution / _range; // 7 = 1个地址 + 3轴数据(每轴数据2字节) Span<byte> writeBuffer =
stackalloc byte[7]; Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[7]; writeBuffer[0]
= ADLX_X0; _sensor.TransferFullDuplex(writeBuffer, readBuffer); Span<byte>
readData = readBuffer.Slice(1); // 切割空白数据 // 将小端数据转换成正常的数据 short AccelerationX
= BinaryPrimitives.ReadInt16LittleEndian(readData.Slice(0, 2)); short
AccelerationY = BinaryPrimitives.ReadInt16LittleEndian(readData.Slice(2, 2));
short AccelerationZ = BinaryPrimitives.ReadInt16LittleEndian(readData.Slice(4,
2)); Vector3 accel = new Vector3 { X = (float)AccelerationX / units, Y =
(float)AccelerationY / units, Z = (float)AccelerationZ / units }; return accel;
} /// <summary> /// 释放资源 /// </summary> public void Dispose() {
_sensor?.Dispose(); _sensor = null; } }
*
在 Program.cs 中,将主函数代码替换如下:
static void Main(string[] args) { SpiConnectionSettings settings = new
SpiConnectionSettings(busId: 0, chipSelectLine: 0) { ClockFrequency =
Adxl345.SpiClockFrequency, Mode = Adxl345.SpiMode }; UnixSpiDevice device = new
UnixSpiDevice(settings); using (Adxl345 sensor = new Adxl345(device)) { while
(true) { Vector3 data = sensor.Acceleration; Console.WriteLine($"X:
{data.X.ToString("0.00")} g"); Console.WriteLine($"Y: {data.Y.ToString("0.00")}
g"); Console.WriteLine($"Z: {data.Z.ToString("0.00")} g"); Console.WriteLine();
Thread.Sleep(500); } } }
*
发布、拷贝、更改权限、运行

效果图



  备注

下一篇文章将谈谈 PWM 的使用。