什麼是 SPI
和上一篇文章的 I2C 匯流排一樣，SPI（Serial Peripheral Interface，序列外設介面）也是裝置與裝置間通訊方式的一種。SPI 是一種全雙工（資料可以兩個方向同時傳輸）的序列通訊匯流排，由摩托羅拉於上個世紀 80 年代開發[1]，用於短距離裝置之間的通訊。SPI 包含 4 根訊號線，一根時鐘線 SCK（Serial Clock，序列時鐘），兩根資料線 MOSI（Master Output Slave Input，主機輸出從機輸入）和 MISO（Master Input Slave Output，主機輸入從機輸出），以及一根片選訊號 CS（Chip Select，或者叫 SS，Slave Select）。所謂的時鐘線就是一種週期，兩臺裝置資料傳輸不能各發各的，這樣就沒有意義，因此需要一種週期去對通訊進行約束；資料線就是按照 MOSI 和 MISO 的中文翻譯理解即可；片選訊號用於主裝置選擇 SPI 上的從裝置，I2C 是靠地址選擇裝置，而 SPI 靠的是片選訊號，一般來說要選擇哪個從裝置只要將相應的 CS 線設定為低電平即可，特殊情況需要看資料手冊。下圖展示了一個 SPI 主裝置和三個 SPI 從裝置的示意圖。
圖源：Wikipedia
SPI 還有一個重要的概念就是時鐘的極性（CPOL，Clock Polarity）和相位（CPHA，Clock Phase），對其這裡不過多解釋，我們只需要知道極性和相位的組合構成了 SPI 的傳輸模式（SPI Mode）。在資料手冊中，只要是 SPI 通訊協議的，一定會給出傳輸模式，我們根據資料手冊進行設定即可。SPI 的傳輸模式是有固定編號的，下表給出了各個模式，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 |
該時序圖顯示了時鐘的極性和相位。圖源：Wikipedia
SPI 相比較 I2C 最大的優點就是傳輸速率高，並且資料在同一時間內可以雙向傳輸，這都得益於它的兩根輸入和輸出資料線。當然缺點也很明顯，比 I2C 多了兩根線，這就要多佔用兩個 IO 介面。而且 SPI 採用 CS 線去選擇裝置，不像 I2C 有定址機制，如果你有很多個 SPI 裝置需要連線的話 IO 介面的佔用數量是相當高的。
在 Raspberry Pi 的引腳中，引出了兩組 SPI 介面。但有意思的是，在 Raspbian 中 SPI-1 是被禁用的，你需要修改一些引數去啟用 SPI-1。SPI 介面的引腳編號如下圖所示。
提示
如何在 Raspbian 上開啟 SPI-1？（在 Win10 IoT 上 SPI-1 是開啟的）
sudo nano /boot/config.txtdtoverlay=spi1-3cs 並儲存
Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引腳圖
相關類
SPI 操作的相關類位於 System.Device.Spi 和 System.Device.Spi.Drivers 名稱空間下。
SpiConnectionSettings
SpiConnectionSettings 類位於 System.Device.Spi 名稱空間下，表示 SPI 裝置的連線設定。
public sealed class SpiConnectionSettings
{
// 建構函式
// busId 是 SPI 的內部 ID
// chipSelectLine 是 CS Pin 的編號（在 Raspberry Pi 上，SPI-0 對應 0 和 1，SPI-1 對應 2）
public SpiConnectionSettings(int busId, int chipSelectLine);
// 屬性
// SPI 傳輸模式
public SpiMode Mode { get; set; }
// SPI 時脈頻率
public int ClockFrequency { get; set; }
// CS 線啟用狀態（即高電平選中裝置還是低電平選中裝置）
public PinValue ChipSelectLineActiveState { get; set; }
}UnixSpiDevice 和 Windows10SpiDevice
UnixSpiDevice 和 Windows10SpiDevice 類位於 System.Device.Spi.Drivers 名稱空間下。兩個類均派生自抽象類 SpiDevice，分別代表 Unix 和 Windows10 下的 SPI 控制器，使用時按照所處的平臺有選擇的進行例項化。這裡以 UnixSpiDevice 類為例說明。
public class UnixSpiDevice : SpiDevice
{
// 建構函式
// 需要傳入一個 SpiConnectionSettings 物件
public UnixSpiDevice(SpiConnectionSettings settings);
// 方法
// 從從裝置中讀取一段資料，資料長度由 Span 的長度決定
public override void Read(Span<byte> buffer);
// 從從裝置中讀取一個位元組的資料
public override byte ReadByte();
// 全雙工傳輸，即主從裝置同時傳輸
// writeBuffer 為要寫入從裝置的資料
// readBuffer 為要從從裝置中讀取的資料
// 需要注意的是 writeBuffer 和 readBuffer 需要長度一致
public override void TransferFullDuplex(ReadOnlySpan<byte> writeBuffer, Span<byte> readBuffer);
// 向從裝置中寫入一段資料，通常 Span 中的第一個資料為要寫入資料的暫存器的地址
public override void Write(ReadOnlySpan<byte> buffer);
// 向從裝置中寫入一個位元組的資料，通常這個位元組為暫存器的地址
public override void WriteByte(byte value);
}SPI 的通訊步驟
初始化 SPI 連線設定
SpiConnectionSettings一般情況下，我們只需要配置 SPI 的 ID，CS 的編號，時脈頻率和 SPI 傳輸模式。其中像時脈頻率、傳輸模式等設定都來自於裝置的資料手冊。比如要使用 Raspberry Pi 的 SPI-0 去操作一個時脈頻率為 5 MHz，SPI 傳輸模式為 Mode3 的裝置，程式碼如下：
SpiConnectionSettings settings = new SpiConnectionSettings(busId: 0, chipSelectLine: 0) { ClockFrequency = 5000000, Mode = SpiMode.Mode3 };讀取和寫入
讀取和寫入與 I2C 類似，這裡不再過多贅述，詳見上一篇部落格，這裡只提供一個程式碼示例。唯一要說明的就是使用全雙工通訊
TransferFullDuplex()時，要求寫入的資料和讀取的資料長度要一致，並且能否使用也需要看裝置是否支援。比如從地址為 0x00 的暫存器中向後連續讀取 8 個位元組的資料，並且向地址為 0x01 的暫存器寫入一個位元組的資料，程式碼如下：// 讀取 sensor.WriteByte(0x00); Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8]; sensor.Read(readBuffer); // 寫入 Span<byte> writeBuffer = stackalloc byte[] { 0x01, 0xFF }; sensor.Write(writeBuffer); // 全雙工讀取 Span<byte> writeBuffer = stackalloc byte[8]; Span<byte> readBuffer = stackalloc byte[8]; writeBuffer[0] = 0x00; sensor.TransferFullDuplex(writeBuffer, readBuffer);
加速度感測器讀取實驗
本實驗選用的是三軸加速度感測器 ADXL345 ，資料手冊地址：http://wenku.baidu.com/view/87a1cf5c312b3169a451a47e.html 。
感測器影像
硬體需求
| 名稱 | 數量 |
|---|---|
| ADXL345 | x1 |
| 杜邦線 | 若干 |
電路
- VCC - 3.3 V
- GND - GND
- CS - CS0 (Pin24)
- SDO - SPI0 MISO (Pin21)
- SDA - SPI0 MOSI (Pin19)
- SCL - SPI0 SCLK (Pin23)
程式碼
- 開啟 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程式，專案名稱為“Adxl345”。
- 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。
新建類 Adxl345，替換如下程式碼：
public class Adxl345 : IDisposable { #region 暫存器地址 private const byte ADLX_POWER_CTL = 0x2D； // 電源控制地址 private const byte ADLX_DATA_FORMAT = 0x31; // 範圍地址 private const byte ADLX_X0 = 0x32; // X軸資料地址 private const byte ADLX_Y0 = 0x34; // Y軸資料地址 private const byte ADLX_Z0 = 0x36; // Z軸資料地址 #endregion private SpiDevice _sensor = null; private readonly int _range = 16; // 測量範圍（-8，8） private const int Resolution = 1024; // 解析度 #region SpiSetting /// <summary> /// ADX1345 SPI 時脈頻率 /// </summary> public const int SpiClockFrequency = 5000000; /// <summary> /// ADX1345 SPI 傳輸模式 /// </summary> public const SpiMode SpiMode = System.Device.Spi.SpiMode.Mode3; #endregion /// <summary> /// 加速度 /// </summary> public Vector3 Acceleration => ReadAcceleration(); /// <summary> /// 例項化一個 ADX1345 /// </summary> /// <param name="sensor">SpiDevice</param> public Adxl345(SpiDevice sensor) { _sensor = sensor; // 設定 ADXL345 測量範圍 // 資料手冊 P28，表 21 Span<byte> dataFormat = stackalloc byte[] { ADLX_DATA_FORMAT, 0b_0000_0010 }; // 設定 ADXL345 為測量模式 // 資料手冊 P24 Span<byte> powerControl = stackalloc byte[] { ADLX_POWER_CTL, 0b_0000_1000 }; _sensor.Write(dataFormat); _sensor.Write(powerControl); } /// <summary> /// 讀取加速度 /// </summary> /// <returns>加速度</returns> private Vector3 ReadAcceleration() { int units = Resolution / _range; // 7 = 1個地址 + 3軸資料（每軸資料2位元組） 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); // 切割空白資料 // 將小端資料轉換成正常的資料 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> /// 釋放資源 /// </summary> public void Dispose() { _sensor?.Dispose(); _sensor = null; } }在 Program.cs 中，將主函式程式碼替換如下：
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); } } }釋出、拷貝、更改許可權、執行
效果圖
備註
下一篇文章將談談 PWM 的使用。