Arduino - SPI 总线通信

Arduino - 串行外设接口 (SPI)

**串行外设接口（SPI）**是一种同步串行通信协议，主要用于嵌入式系统中的短距离通信。它以比 I2C 更快并支持全双工（同时发送和接收）通信而闻名。

SPI 通信涉及一个控制通信的主设备（Master）和一个或多个响应主设备的从设备（Slave）。它使用一组四根信号线进行操作。

四根 SPI 接线

信号	替代名称	描述
SCK	SCLK	串行时钟 - 主设备发送的时钟信号，用于同步数据传输。
MOSI	COPI	主出、从入 - 用于从主设备向从设备发送数据的线路。
MISO	CIPO	主入、从出 - 用于从从设备向主设备发送数据的线路。
SS	CS	从设备选择 - 由主设备控制的线路，用于选择要与其通信的从设备。每个从设备都需要一条专用的 SS 线。

Arduino SPI 引脚和接线

SPI 引脚位于不同 Arduino 开发板的特定引脚上。在 Arduino UNO 上，它们位于 ICSP 排针上，也映射到数字引脚 10-13。以下是连接两个 Arduino UNO 的标准接线方式：

• 共地：将主设备上的 GND 引脚连接到从设备上的 GND 引脚。这至关重要！
• SCK：主设备引脚 13 → 从设备引脚 13
• MOSI：主设备引脚 11 → 从设备引脚 11
• MISO：主设备引脚 12 → 从设备引脚 12
• SS：主设备引脚 10 → 从设备引脚 10

注意： 对于 Mega 或 MKR 系列等其他开发板，请查阅其官方引脚图以定位 SPI 引脚。

现代 SPI 编程：事务

现代的 SPI 通信方法使用“事务”。这确保了在通信开始之前，SPI 设置（如时钟速度和数据模式）已为特定设备正确配置，并且不会受到同一总线上其他设备的干扰。这是最佳实践。

• SPI.beginTransaction(SPISettings(speed, dataOrder, dataMode))：开始一个 SPI 事务。SPISettings 是您配置通信参数的地方。
• speed：时钟速度，单位赫兹 (Hz)（例如，4000000 表示 4MHz）。
• dataOrder：MSBFIRST（最高有效位优先）或 LSBFIRST。
• dataMode：SPI_MODE0、SPI_MODE1、SPI_MODE2 或 SPI_MODE3。这定义了时钟极性和相位。设备的数据手册将指定使用哪种模式。
• SPI.transfer(data)：发送一个字节的数据并同时接收一个字节回来，该字节是函数的返回值。
• SPI.endTransaction()：释放 SPI 总线供其他设备使用。

示例：主从设备通信

在此示例中，主设备将向从设备发送一个命令字符。从设备将处理该命令并准备一个响应。主设备随后将读取此响应。

主设备代码

/*
  SPI 主设备示例 - 现代化

  此草图向 SPI 从设备发送命令并读取响应。
*/

#include <SPI.h>

const int slaveSelectPin = 10;

// 定义我们的 SPI 通信设置
SPISettings slaveSettings(4000000, MSBFIRST, SPI_MODE0);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial);

  // 将 Slave Select 引脚设置为输出
  pinMode(slaveSelectPin, OUTPUT);
  digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); // 最初取消选择从设备

  // 初始化 SPI
  SPI.begin();
  Serial.println("主设备已初始化");
}

void loop() {
  // 发送命令 'a' 并获取响应
  char response = sendCommand('a');
  Serial.print("从从设备接收到: ");
  Serial.println(response);
  delay(1000);

  // 发送命令 'b' 并获取响应
  response = sendCommand('b');
  Serial.print("从从设备接收到: ");
  Serial.println(response);
  delay(1000);
}

char sendCommand(char command) {
  // 使用从设备的设置开始事务
  SPI.beginTransaction(slaveSettings);

  // 选择从设备
  digitalWrite(slaveSelectPin, LOW);

  // 同时发送命令并接收一个字节
  char result = SPI.transfer(command);

  // 取消选择从设备
  digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH);

  // 结束事务
  SPI.endTransaction();

  return result;
}

从设备代码

/*
  SPI 从设备示例 - 现代化

  此草图监听 SPI 主设备发送的命令并进行回复。
  它使用中断来高效处理传入数据。
*/

#include <SPI.h>

volatile byte receivedData;
volatile byte dataToSend;
volatile bool newData = false;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial);

  // 将 MISO 设置为输出
  pinMode(MISO, OUTPUT);

  // 将 SPI 配置为从设备模式
  SPCR |= _BV(SPE); // 启用 SPI
  SPCR |= _BV(SPIE); // 启用 SPI 中断

  receivedData = 0;
  dataToSend = 'x'; // 默认初始响应
  Serial.println("从设备已初始化");
}

// SPI 中断服务程序
ISR(SPI_STC_vect) {
  receivedData = SPDR; // 读取接收到的数据
  SPDR = dataToSend;   // 预加载下次要发送的数据
  newData = true;      // 为主循环设置标志
}

void loop() {
  if (newData) {
    newData = false; // 清除标志
    Serial.print("接收到命令: ");
    Serial.println((char)receivedData);

    // 处理命令并准备下一个响应
    if (receivedData == 'a') {
      dataToSend = 'A'; // 准备 'A' 作为下次传输的响应
    } else if (receivedData == 'b') {
      dataToSend = 'B'; // 准备 'B'
    } else {
      dataToSend = '?'; // 未知命令
    }
  }
}

SPI 调试

• 无通信：最常见的问题是接线。仔细检查所有连接：MOSI 到 MOSI、MISO 到 MISO、SCK 到 SCK，尤其是共地。
• 乱码数据：如果您收到不正确的数据，很可能是 SPI 设置不匹配。确保主设备和从设备使用相同的 dataMode 和 dataOrder。
• 多从设备问题：当使用多个从设备时，确保在任何给定时间只有一个从设备被选中（其 SS 引脚为低电平）。所有其他设备必须被取消选择（SS 引脚为高电平）。
• 最佳工具：对于复杂的 SPI 问题，逻辑分析仪是无价的。它允许您查看导线上的实际信号，并快速诊断时序、模式或数据问题。