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。

640?wx_fmt=png

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。

Mode0	0	0
Mode1	0	1
Mode2	1	0
Mode3	1	1

640?wx_fmt=png

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

640?wx_fmt=png

Raspberry Pi B+/2B/3B/3B+/Zero 引脚图

SPI 的通信步骤

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
};

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：

640?wx_fmt=png