张高兴的 .NET Core IoT 入门指南：（四）使用 SPI 进行通信

2022-02-28 22:55:05

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]，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1：SPI 设备

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

图2：该时序图显示了时钟的极性和相位

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

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 。

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 - GPIO 8 (Pin 24)
SDO - SPI0 MISO - GPIO 9 (Pin 21)
SDA - SPI0 MOSI - GPIO 10 (Pin 19)
SCL - SPI0 SCLK - GPIO 11 (Pin 23)

使用 Docker 运行示例

示例地址：https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/Adxl345

docker build -t adxl-sample -f Dockerfile .

docker run --rm -it --device /dev/spidev0.0 adxl-sample

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

    };

    SpiDevice device = SpiDevice.Create(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

供参考

Serial Peripheral Interface - Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface
SPI source code：https://github.com/dotnet/iot/tree/master/src/System.Device.Gpio/System/Device/Spi
SPI - 百度百科：https://baike.baidu.com/item/SPI/4429726

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