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SPI 介面

SPI 是控制器和周邊設備之間的快速串列通訊介面。展開：Serial Peripheral Interface（序列周邊介面）。

SPI 常用於需要比 I2C 更快速的資料傳輸，或設備本身就是為 SPI 設計的場景：顯示器、記憶卡、RFID 模組、感應器、驅動器或記憶體晶片。

SPI 的應用場景

在 3D 印表機和 iDryer 類設備中，SPI 可能出現在：

  • RFID/NFC 模組，例如 RC522；
  • OLED/TFT 顯示器；
  • 記憶卡；
  • 用於輸入整形的加速度感應器；
  • 步進馬達驅動器，例如 TMC2130/TMC5160；
  • 記憶體晶片；
  • ADC/DAC 和擴展板；
  • 某些感應器和專用模組。

SPI 通常比 I2C 更快，但需要更多線路和更仔細的腳位選擇。

基本信號線

典型的 SPI 使用：

  • SCK 或 CLK - 時鐘信號；
  • MOSI - 控制器到設備的資料；
  • MISO - 設備到控制器的資料；
  • CS、SS 或 NSS - 選擇特定設備；
  • GND - 共同接地；
  • 模組電源。

包含兩個設備的圖示：

SPI: 主設備和從設備之間的基本交換操作

來源：Wikimedia Commons, Em3rgent0rdr, CC0 Public Domain

SCK、MOSI 和 MISO 可由多個設備共用。但每個設備通常需要自己的 CS。

CS 代替位址

在 I2C 中，設備由位址區分。在 SPI 中，通常沒有位址。控制器透過單獨的 CS 線選擇設備。

範例：

SCK  -> 所有 SPI 設備共用
MOSI -> 共用
MISO -> 共用
CS1  -> RFID 模組
CS2  -> 顯示器
CS3  -> 記憶卡

當控制器想與 RFID 模組通訊時，它啟動 CS1。當它想與顯示器通訊時，它啟動 CS2。

最常見的情況是，CS 是低電位活躍的：閒置時線路為 HIGH，選擇設備時為 LOW。但這需要在技術資料表中驗證。

MOSI/MISO 和新名稱

在舊的和非常常見的配置中，名稱是：

  • MOSI - Master Out Slave In（主設備出，從設備入）；
  • MISO - Master In Slave Out（主設備入，從設備出）；
  • SS - Slave Select（從設備選擇）。

在較新的文件中，你可能會看到中立的名稱：

  • PICO - Peripheral In Controller Out（周邊入，控制器出，相當於 MOSI）；
  • POCI - Peripheral Out Controller In（周邊出，控制器入，相當於 MISO）；
  • CS - Chip Select（晶片選擇）。

在 3D 印表機電子設備中，MOSI、MISO、SCK、CS 仍然很常見。關鍵是要理解信號方向，並檢查特定模組的腳位圖。

MISO 可能不需要

並非每個 SPI 設備都實際傳回資料。

例如，簡單的顯示器可能只接收命令和像素。那麼 MISO 線可能缺失或未使用。

但對於需要讀取資料的設備，MISO 是必需的：

  • RFID 模組；
  • 記憶卡；
  • 感應器；
  • 具有診斷功能的驅動器；
  • 記憶體晶片。

如果模組應該回應，但 MISO 未連接或接錯了，初始化可能會失敗。

SPI 速度和模式

SPI 有速度。它可以遠高於 I2C，但這不意味著你需要立即設定最高速度。

工作受到以下因素的影響：

  • 線路長度；
  • 接地品質；
  • 模組及其資料表；
  • 噪聲等級；
  • 控制器頻率；
  • 選擇的 SPI 模式。

SPI 模式由時鐘極性和時鐘相位參數設定：CPOL 和 CPHA。通常使用模式 0，但並非總是如此。如果模式不正確，設備可能無法回應或返回不正確的資料。

在大多數現成的程式庫中，模式已經設定好了。但如果你連接的是不尋常的模組或編寫低層配置，你需要檢查資料表。

3.3V 和 5V

與其他介面一樣，SPI 不能保證安全的電壓等級。

ESP32、RP2040、STM32 和許多現代模組使用 3.3V 邏輯。Arduino Uno/Nano 通常使用 5V。

連接前，驗證：

  • 模組電源；
  • SCK、MOSI、MISO、CS 的邏輯等級；
  • 是否有電壓匹配；
  • 模組是否容許信號輸入上的 5V；
  • 控制器輸入是否容許 5V。

例如，RC522 通常需要 3.3V 電源和邏輯。在沒有電壓匹配的情況下將其連接到 5V Arduino 是個壞主意。

Klipper 中的 SPI

在 Klipper 中，SPI 用於各種設備：TMC 驅動器、加速度感應器、某些顯示器和感應器。

配置可能包括：

  • cs_pin - 設備選擇腳位；
  • spi_bus - 硬體 SPI 匯流排；
  • spi_speed - 速度（Hz）；
  • spi_software_sclk_pin；
  • spi_software_mosi_pin；
  • spi_software_miso_pin。

如果設備連接到額外的 MCU，腳位應屬於該 MCU。與其他 Klipper 部分一樣，特定主板的腳位圖比猜測更重要。

粗略想法：

[some_spi_device]
cs_pin: chamber:gpio9
spi_software_sclk_pin: chamber:gpio10
spi_software_mosi_pin: chamber:gpio11
spi_software_miso_pin: chamber:gpio12

這不是特定設備的現成配置，而是說明：所有 SPI 腳位必須在實際連接模組的 MCU 上。

線路長度和干擾

SPI 可以很快運行，但不喜歡長的、雜亂的線路。

實務規則：

  • 保持 SCK、MOSI、MISO、CS 簡短；
  • 靠近 GND 佈線；
  • 不要與加熱器和馬達線路平行佈線；
  • 如果出現錯誤，減少 spi_speed；
  • 使用適當的連接器；
  • 不要無故將 SPI 拉過整個印表機；
  • 對於遠端節點，更常選擇 CAN、UART/RS-485 或靠近模組的獨立 MCU。

SCK 線特別敏感：它是時鐘信號。如果它很髒，所有通訊都可能變得不穩定。

SPI 和 RC522

RC522 是一個命名混淆的 SPI 模組的好例子。

在許多 RC522 主板上，SDA 腳實際上用作 SPI 的 SS/CS。這不是 I2C SDA。

對於 RC522，你通常需要：

  • 3.3V；
  • GND；
  • SCK；
  • MOSI；
  • MISO；
  • SDA/SS/CS；
  • RST；
  • 有時 IRQ，但在簡單的專案中通常不使用。

詳細的圖示在實務文章中：連接 RFID 讀卡機。

連接前要檢查的事項

在連接 SPI 模組之前，驗證：

  • 模組電源；
  • 邏輯等級；
  • 特定主板的腳位圖；
  • SCK、MOSI、MISO、CS 在哪裡；
  • 是否需要 RST、DC、IRQ 或其他腳位；
  • 哪個 CS 被指派給該設備；
  • 如果 CS 與另一個模組衝突；
  • 是否需要硬體 SPI 或軟體 SPI；
  • 文件建議什麼速度；
  • 韌體是否支援此模組。

常見錯誤

  • 混淆 MOSI 和 MISO；
  • 忘記 CS；
  • 將兩個設備連接到一個 CS；
  • 未連接共同的 GND；
  • 對 3.3V SPI 模組施加 5V；
  • 將 RC522 上的 SDA 誤認為 I2C SDA；
  • 選擇了過高的速度；
  • 製作了過長的線路；
  • 將模組連接到一個 MCU，但指定了另一個的腳位；
  • 認為 SPI 是驅動負載的電源介面。

要點

SPI 是控制器附近模組的快速介面。通常你需要 SCK、MOSI、MISO、CS、電源和 GND。

與 I2C 的主要區別：SPI 通常沒有位址，每個設備都由單獨的 CS 選擇。連接前，驗證腳位圖、邏輯等級、速度、線路長度和韌體支援。

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