Android Things：外设I/O接口-SPI

一、接口简介

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串行外围接口（Serial Peripheral Interface）设备通常需要快速的数据传输速率。SPI适合高带宽使用情况，如外部非易失性存储器和图形显示，许多传感器除了I2C也支持SPI。

SPI总线是一种同步的串行接口：这意味着它依赖于共享的时钟信号来同步设备之间的数据传输。控制时钟信号的设备被称为master。其它所有连接的外设被认为是Slaves。每个设备连接到同一组数据信号以形成总线。从理论上讲，SPI数据传输率是仅限于master切换时钟信号的快慢。时钟速度通常在16MHz到25MHz范围。高速共享时钟允许SPI外设更快的传输数据，比UART错误更少。

SPI支持全双工数据传输：意味着master和slave可以同时交换数据。为了支持全双工传输，总线必须提供下列单独的信号，使得SPI最少四线接口：

• Master出Slave入（MOSI）；
• Mater入Slave出（MISO）；
• 共享时钟信号（CLK）；
• 共同的接地参考（GND）；

SPI支持同一总线连接多个从设备：和I2C不同，slave设备使用硬件寻址。每个slave都需要外部芯片选择信号，来让master定位特定的设备作为数据传输的目标。如果仅仅使用一个slave这个信号就不必须。

二、接口使用

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1. 打开连接
   创建PeripheralManagerService对象，使用你想打开端口的名称，调用open()方法打开连接。

   public class HomeActivity extends Activity {
       // SPI Device Name
       private static final String SPI_DEVICE_NAME = ...;
   
       private SpiDevice mDevice;
   
       @Override
       protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
           super.onCreate(savedInstanceState);
           // Attempt to access the SPI device
           try {
               PeripheralManagerService manager = new PeripheralManagerService();
               mDevice = manager.openSpiDevice(SPI_DEVICE_NAME);
           } catch (IOException e) {
                Log.w(TAG, "Unable to access SPI device", e);
           }
       }
   
       @Override
       protected void onDestroy() {
           super.onDestroy();
   
           if (mDevice != null) {
               try {
                   mDevice.close();
                   mDevice = null;
               } catch (IOException e) {
                   Log.w(TAG, "Unable to close SPI device", e);
               }
           }
       }
   }

2. 配置时钟和数据模式
   在一个SPI总线连接建立之后，配置数据传输速率和操作模式来匹配同一条总线上的Slave设备。为了成功的传输数据，在总线的所有设备必须具有相同的时钟和数据格式行为。

   设置SPI模式，定义了时钟信号的极性和相位。你选择的属性基于三个属性：
   

   • 闲置级别：当没有数据传输的时候，时钟信号的级别（或高或低）；
   • 前沿：每个时钟脉冲的前沿；
   • 后沿：每个时钟脉冲前沿相反过渡；

   支持以下模式：

   • MODE0-时钟信号闲置为低，数据传输在前时钟边沿；
   • MODE1-时钟信号闲置为高，数据传输在后时钟边沿；
   • MODE2-时钟信号闲置为低，数据传输在前时钟边沿；
   • MODE3-时钟信号闲置为高，数据传输在后时钟边沿；

   设置如下SpiDevice参数：

   • 频率：以Hz为单位指定共享时钟信号。时钟信号的能力在不同的设备之间有所不同。在设置这个值之前，你应该确认下你设备支持的频率。
   • xxx：指定在总线上传输的每个字节中比特的顺序，这也被称为数据的字节序。默认情况下，数据将会把最高有效位（MSB）首先发送。
   • 每个字的比特：配置一次传输的比特数，…，默认的值是8比特每字。

   public void configureSpiDevice(SpiDevice device) throws IOException {
           // Low clock, leading edge transfer
           device.setMode(SpiDevice.MODE0);
   
           device.setFrequency(16000000);     // 16MHz
           device.setBitsPerWord(8);          // 8 BPW
           device.setBitJustification(false); // MSB first
   }

3. 传输数据

   • SPI支持半双工和全双工数据传输。
   • 大多数应用程序应该都使用半双工write()或read()方法与Slave设备交换数据。

   // Half-duplex data transfer
   public void sendCommand(SpiDevice device, byte[] buffer) throws IOException {
         // Shift data out to slave
         device.write(buffer, buffer.length);
   
         // Read the response
         byte[] response = new byte[32];
         device.read(response, response.length);
         ...
   }

   • 要想执行全双工交换，使用transfer()方法。这个而方法接受读和写两个缓冲。写缓冲包含发送给Slave的数据，然而读缓冲是空的来接受Slave的数据。数据的长度必须小于或者等于数据缓冲的最小缓冲的大小。常见的全双工传输缓冲区大小是相等的。

   // Full-duplex data transfer
   public void sendCommand(SpiDevice device, byte[] buffer) throws IOException {
         byte[] response = new byte[buffer.length];
         device.transfer(buffer, response, buffer.length);
       ...
   }

4. 关闭连接
   当你完成和外部设备的通信，调用close()方法关闭连接并释放资源。此外在现有端口关闭之前，你不能打开相同端口的新连接。

   public class HomeActivity extends Activity {
       // SPI Device Name
       private static final String SPI_DEVICE_NAME = ...;
       private SpiDevice mDevice;
   
       @Override
       protected void onDestroy() {
           super.onDestroy();
   
           if (mDevice != null) {
               try {
                   mDevice.close();
                   mDevice = null;
               } catch (IOException e) {
                   Log.w(TAG, "Unable to close SPI device", e);
               }
           }
       }
   }

三、案例演示

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下面我们就通过spi接口，控制Max7219模块的显示来演示接口的使用。

1. 硬件准备
   
   • 树莓派开发板 1块
   • 面包板 1块
   • Max7219点阵模块
   • 杜邦线（公对母）若干
2. 电路搭建（注意，没有找个对应的元器件图，下图多一个引脚）
   

3. 代码编写
   SpiDemo\app\src\main\java\com\chengxiang\spidemo\MainActivity.java

   public class MainActivity extends AppCompatActivity {
       private static final String SPI_DEVICE_NAME = "SPI0.0";
   
       private static final byte OP_NOOP = 0;
       private static final byte OP_DIGIT0 = 1;
       private static final byte OP_DIGIT1 = 2;
       private static final byte OP_DIGIT2 = 3;
       private static final byte OP_DIGIT3 = 4;
       private static final byte OP_DIGIT4 = 5;
       private static final byte OP_DIGIT5 = 6;
       private static final byte OP_DIGIT6 = 7;
       private static final byte OP_DIGIT7 = 8;
       private static final byte OP_DECODEMODE = 9;
       private static final byte OP_INTENSITY = 10;
       private static final byte OP_SCANLIMIT = 11;
       private static final byte OP_SHUTDOWN = 12;
       private static final byte OP_DISPLAYTEST = 15;
   
       public static final byte[] ALIEN_FRAME_1 = new byte[]{
               (byte)0b00001000,
               (byte)0b00011000,
               (byte)0b00001000,
               (byte)0b00001000,
               (byte)0b00001000,
               (byte)0b00001000,
               (byte)0b00001000,
               (byte)0b00000000
       };
   
       public static final byte[] ALIEN_FRAME_2 = new byte[]{
               (byte)0b00011000,
               (byte)0b00100100,
               (byte)0b00100100,
               (byte)0b00000100,
               (byte)0b00001000,
               (byte)0b00010000,
               (byte)0b00111110,
               (byte)0b00000000
       };
       public static final byte[] ALIEN_FRAME_3 = new byte[]{
               (byte)0b00011000,
               (byte)0b00100100,
               (byte)0b00000100,
               (byte)0b00011000,
               (byte)0b00000100,
               (byte)0b00100100,
               (byte)0b00011000,
               (byte)0b00000000
       };
   
       public static final byte[][] FRAMES = new byte[][]{ALIEN_FRAME_1, ALIEN_FRAME_2, ALIEN_FRAME_3};
       private SpiDevice mDevice;
       private byte[] spidata = new byte[2];
   
       @Override
       protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
           super.onCreate(savedInstanceState);
           setContentView(R.layout.activity_main);
   
           try {
               //打开SPI接口连接
               PeripheralManagerService manager = new PeripheralManagerService();
               mDevice = manager.openSpiDevice(SPI_DEVICE_NAME);
   
               //设置SPI信号模式、频率、每个字比特数等
               mDevice.setMode(SpiDevice.MODE0);
               mDevice.setFrequency(1000000);
               mDevice.setBitsPerWord(8);
               mDevice.setBitJustification(false);
   
               //设置译码模式，0-用于驱动LED点阵屏
               spiTransfer(OP_DECODEMODE, 0);
               //设置扫描限制，显示7行
               spiTransfer(OP_SCANLIMIT, 7);
               //设置显示器检测，0-一般模式
               spiTransfer(OP_DISPLAYTEST, 0);
               //设置停机为false
               spiTransfer(OP_SHUTDOWN, 1);
               //设置显示强度为3
               spiTransfer(OP_INTENSITY, 15);
   
               while (true) {
                   for (int i = 0; i < FRAMES.length; i++) {
                       for (int j = 0; j < FRAMES[i].length; j++) {
                           spiTransfer((byte) (OP_DIGIT0 + j), FRAMES[i][j]);
                       }
                       Thread.sleep(500);
                   }
               }
           } catch (IOException e) {
               e.printStackTrace();
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
   
       @Override
       protected void onDestroy() {
           super.onDestroy();
           if (mDevice != null) {
               try {
                   mDevice.close();
                   mDevice = null;
               } catch (IOException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
       }
   
       private void spiTransfer(byte opcode, int data) throws IOException {
           spidata[0] = opcode;
           spidata[1] = (byte) data;
           mDevice.write(spidata, 2);
       }
   }

   代码库：https://github.com/ThingsDeveloper/spidemo

4. 运行结果
   运行程序，显示器上闪烁显示1,2,3数字如下：
   
   

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