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

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

相关类

SPI 操作的相关类位于 System.Device.Spi 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
{
    // 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);

    // 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; }
}

SpiDevice

SpiDevice 是一个抽象类，通过单例模式创建具体的对象。具体实现是通过两个内部类 UnixSpiDevice 和 Windows10SpiDevice ，分别代表 Unix 和 Windows10 下的 SPI 控制器。

public abstract partial class SpiDevice : IDisposable
{
    // 创建 SpiDevice 对象
    public static SpiDevice Create(SpiConnectionSettings settings);

    // 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 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 writeBuffer, Span 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 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

1. 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
   };

2. 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 readBuffer = stackalloc byte[8]; 
   sensor.Read(readBuffer);
   
   // 写入
   Span writeBuffer = stackalloc byte[] { 0x01, 0xFF }; 
   sensor.Write(writeBuffer);
   
   // 全双工读取
   Span writeBuffer = stackalloc byte[8]; 
   Span 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

1. 打开 Visual Studio ，新建一个 .NET Core 控制台应用程序，项目名称为“Adxl345”。
2. 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。

3. 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
       /// 
   
       /// ADX1345 SPI 时钟频率
       /// 
       public const int SpiClockFrequency = 5000000;
   
       /// 
   
       /// ADX1345 SPI 传输模式
       /// 
       public const SpiMode SpiMode = System.Device.Spi.SpiMode.Mode3;
       #endregion
   
       /// 
   
       /// 加速度
       /// 
       public Vector3 Acceleration => ReadAcceleration();
   
       /// 
   
       /// 实例化一个 ADX1345
       /// 
       /// SpiDevice
       public Adxl345(SpiDevice sensor)
       {
           _sensor = sensor;
   
           // 设置 ADXL345 测量范围
           // 数据手册 P28，表 21
           Span dataFormat = stackalloc byte[] { ADLX_DATA_FORMAT, 0b_0000_0010 };
           // 设置 ADXL345 为测量模式
           // 数据手册 P24
           Span powerControl = stackalloc byte[] { ADLX_POWER_CTL, 0b_0000_1000 };
   
           _sensor.Write(dataFormat);
           _sensor.Write(powerControl);
       }
   
       /// 
   
       /// 读取加速度
       /// 
       /// 加速度
       private Vector3 ReadAcceleration()
       {
           int units = Resolution / _range;
   
           // 7 = 1个地址 + 3轴数据（每轴数据2字节）
           Span writeBuffer = stackalloc byte[7];
           Span readBuffer = stackalloc byte[7];
   
           writeBuffer[0] = ADLX_X0;
           _sensor.TransferFullDuplex(writeBuffer, readBuffer);
           Span 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;
       }
   
       /// 
   
       /// 释放资源
       /// 
       public void Dispose()
       {
           _sensor?.Dispose();
           _sensor = null;
       }
   }

4. 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);
           }
       }
   }

5. 发布、拷贝、更改权限、运行

效果图

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  备注

下一篇文章将谈谈串口通信。