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。

图源：wikipedia

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

该时序图显示了时钟的极性和相位。图源：wikipedia

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 和 system.device.spi.drivers 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
{
    // 构造函数
    // 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);

    // 属性
    // 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; }
}

unixspidevice 和 windows10spidevice

unixspidevice 和 windows10spidevice 类位于 system.device.spi.drivers 命名空间下。两个类均派生自抽象类 spidevice，分别代表 unix 和 windows10 下的 spi 控制器，使用时按照所处的平台有选择的进行实例化。这里以 unixspidevice 类为例说明。

public class unixspidevice : spidevice
{
    // 构造函数
    // 需要传入一个 spiconnectionsettings 对象
    public unixspidevice(spiconnectionsettings settings);

    // 方法
    // 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<byte> 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<byte> writebuffer, span<byte> 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<byte> 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<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： 。

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 (pin24)
• sdo - spi0 miso (pin21)
• sda - spi0 mosi (pin19)
• scl - spi0 sclk (pin23)

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
       /// <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;
       }
   }

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
       };
       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);
           }
       }
   }

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 pwm 的使用。