張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（四）使用 SPI 進行通訊

時間 2019-11-07

標籤高興 core iot 入門指南使用 spi 進行通訊简体版

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什麼是 SPI

和上一篇文章的 I²C 總線同樣，SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）也是設備與設備間通訊方式的一種。SPI 是一種全雙工（數據能夠兩個方向同時傳輸）的串行通訊總線，由摩托羅拉於上個世紀 80 年代開發^[1]，用於短距離設備之間的通訊。SPI 包含 4 根信號線，一根時鐘線 SCK（Serial Clock，串行時鐘），兩根數據線 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），以及一根片選信號 CS（Chip Select，或者叫 SS，Slave Select）。所謂的時鐘線就是一種週期，兩臺設備數據傳輸不能各發各的，這樣就沒有意義，所以須要一種週期去對通訊進行約束；數據線就是按照 MOSI 和 MISO 的中文翻譯理解便可；片選信號用於主設備選擇 SPI 上的從設備，I²C 是靠地址選擇設備，而 SPI 靠的是片選信號，通常來講要選擇哪一個從設備只要將相應的 CS 線設置爲低電平便可，特殊狀況須要看數據手冊。下圖展現了一個 SPI 主設備和三個 SPI 從設備的示意圖。css

圖1：SPI 設備html

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），對其這裏不過多解釋，咱們只須要知道極性和相位的組合構成了 SPI 的傳輸模式（SPI Mode）。在數據手冊中，只要是 SPI 通訊協議的，必定會給出傳輸模式，咱們根據數據手冊進行設置便可。SPI 的傳輸模式是有固定編號的，下表給出了各個模式，經常使用的模式有 Mode0 和 Mode3。git

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

圖2：該時序圖顯示了時鐘的極性和相位github

SPI 相比較 I²C 最大的優勢就是傳輸速率高，而且數據在同一時間內能夠雙向傳輸，這都得益於它的兩根輸入和輸出數據線。固然缺點也很明顯，比 I²C 多了兩根線，這就要多佔用兩個 IO 接口。並且 SPI 採用 CS 線去選擇設備，不像 I²C 有尋址機制，若是你有不少個 SPI 設備須要鏈接的話 IO 接口的佔用數量是至關高的。docker

在 Raspberry Pi 的引腳中，引出了兩組 SPI 接口。但有意思的是，在 Raspbian 中 SPI-1 是被禁用的，你須要修改一些參數去啓用 SPI-1。SPI 接口的引腳編號以下圖所示。c#

提示編輯器

如何在 Raspbian 上開啓 SPI-1？（在 Win10 IoT 上 SPI-1 是開啓的）ide

1. 使用編輯器打開 /boot/config.txt ，如： sudo nano /boot/config.txt

2. 添加 dtoverlay=spi1-3cs 並保存

3. 重啓

Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引腳圖svg

SPI 的通訊步驟

初始化 SPI 鏈接設置 SpiConnectionSettings

通常狀況下，咱們只須要配置 SPI 的 ID，CS 的編號，時鐘頻率和 SPI 傳輸模式。其中像時鐘頻率、傳輸模式等設置都來自於設備的數據手冊。好比要使用 Raspberry Pi 的 SPI-0 去操做一個時鐘頻率爲 5 MHz，SPI 傳輸模式爲 Mode3 的設備，代碼以下：
```
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 相似，這裏再也不過多贅述，詳見上一篇博客，這裏只提供一個代碼示例。惟一要說明的就是使用全雙工通訊 TransferFullDuplex() 時，要求寫入的數據和讀取的數據長度要一致，而且可否使用也須要看設備是否支持。好比從地址爲 0x00 的寄存器中向後連續讀取 8 個字節的數據，而且向地址爲 0x01 的寄存器寫入一個字節的數據，代碼以下：
```
// 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);
```

加速度傳感器讀取實驗

本實驗選用的是三軸加速度傳感器 ADXL345 ，數據手冊地址：http://wenku.baidu.com/view/87a1cf5c312b3169a451a47e.html 。

傳感器圖像

硬件需求

名稱	數量
ADXL345	x1
杜邦線	若干

電路

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 運行示例

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

代碼

打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程序，項目名稱爲「Adxl345」。
引入 System.Device.Gpio NuGet 包。

新建類 Adxl345，替換以下代碼：

public class Adxl345 : IDisposable
{
    #region 寄存器地址
    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軸數據地址
    private const byte ADLX_Y0 = 0x34;              // Y軸數據地址
    private const byte ADLX_Z0 = 0x36;              // Z軸數據地址
    #endregion

    private SpiDevice _sensor = null;

    private readonly int _range = 16;               // 測量範圍（-8，8）
    private const int Resolution = 1024;            // 分辨率

    #region SpiSetting
    /// <summary>
    /// ADX1345 SPI 時鐘頻率
    /// </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>
    /// 實例化一個 ADX1345
    /// </summary>
    /// <param name="sensor">SpiDevice</param>
    public Adxl345(SpiDevice sensor)
    {
        _sensor = sensor;

        // 設置 ADXL345 測量範圍
        // 數據手冊 P28，表 21
        Span<byte> dataFormat = stackalloc byte[] { ADLX_DATA_FORMAT, 0b_0000_0010 };
        // 設置 ADXL345 爲測量模式
        // 數據手冊 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軸數據（每軸數據2字節）
        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);      // 切割空白數據

        // 將小端數據轉換成正常的數據
        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，將主函數代碼替換以下：

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);
        }
    }
}