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SPI 接口

SPI 是控制器与外设之间的高速串行通信接口。展开为: Serial Peripheral Interface（串行外设接口）。

在需要比 I2C 更快的数据传输速度，或设备为 SPI 设计时使用 SPI：显示器、SD 卡、RFID 模块、传感器、驱动器或存储芯片。

SPI 的应用场景

在 3D 打印机和 iDryer 等设备中，SPI 可能出现在：

  • RFID/NFC 模块，如 RC522；
  • OLED/TFT 显示器；
  • SD 卡；
  • 加速度计（用于输入整形）；
  • 步进驱动器，例如 TMC2130/TMC5160；
  • 存储芯片；
  • ADC/DAC 和扩展板；
  • 某些传感器和专用模块。

SPI 通常比 I2C 快，但需要更多的线路和更谨慎的引脚选择。

基本线路

典型的 SPI 使用：

  • SCK 或 CLK - 时钟信号；
  • MOSI - 从控制器到设备的数据；
  • MISO - 从设备到控制器的数据；
  • CS、SS 或 NSS - 选择特定设备；
  • GND - 公共地；
  • 模块电源。

两个设备的接线图：

SPI: 主从设备之间的基本交换操作

来源: Wikimedia Commons, Em3rgent0rdr, CC0 Public Domain

SCK、MOSI 和 MISO 可以由多个设备共享。但每个设备通常需要自己的 CS。

CS 而不是地址

在 I2C 中，设备由地址区分。在 SPI 中，通常没有地址。控制器用单独的 CS 线路选择设备。

例如：

SCK  -> 所有 SPI 设备共享
MOSI -> 共享
MISO -> 共享
CS1  -> RFID 模块
CS2  -> 显示器
CS3  -> SD 卡

当控制器想与 RFID 模块通信时，它激活 CS1。当它想与显示器通信时，它激活 CS2。

最常见的是，CS 是低电平有效：在静止状态下线路为 HIGH，选择设备时为 LOW。但这需要在技术数据表中验证。

MOSI/MISO 和新名称

在旧的和很常见的方案中，名称是：

  • MOSI - Master Out Slave In（主出从入）；
  • MISO - Master In Slave Out（主入从出）；
  • SS - Slave Select（从选择）。

在较新的文档中，你可能会看到中立的名称：

  • PICO - Peripheral In Controller Out（外设进控制器出），等同于 MOSI；
  • POCI - Peripheral Out Controller In（外设出控制器进），等同于 MISO；
  • CS - Chip Select（芯片选择）。

在 3D 打印机电子产品中，MOSI、MISO、SCK、CS 仍然很常见。主要是要理解信号方向并检查特定模块的引脚分配。

MISO 可能不需要

不是每个 SPI 设备都实际发送数据回来。

例如，简单的显示器可能只接收命令和像素。那么 MISO 线路可能缺失或未使用。

但对于读取数据的设备，MISO 是必需的：

  • RFID 模块；
  • SD 卡；
  • 传感器；
  • 带诊断功能的驱动器；
  • 存储芯片。

如果模块应该响应但 MISO 未连接或连接错误，初始化可能会失败。

SPI 速度和模式

SPI 有速度。它可以比 I2C 快得多，但这并不意味着你需要立即设置为最大速度。

工作受以下因素影响：

  • 线路长度；
  • 地质量；
  • 模块及其数据表；
  • 噪声水平；
  • 控制器频率；
  • 选择的 SPI 模式。

SPI 模式由时钟极性和时钟相位参数设定：CPOL 和 CPHA。模式 0 经常使用，但并非总是如此。如果模式错误，设备可能无法响应或返回不正确的数据。

在大多数现成的库中，模式已经设置。但如果你连接不寻常的模块或编写低级配置，你需要查看数据表。

3.3V 和 5V

像其他接口一样，SPI 不保证安全的电压水平。

ESP32、RP2040、STM32 和许多现代模块使用 3.3V 逻辑。Arduino Uno/Nano 通常使用 5V。

连接前，验证：

  • 模块电源；
  • SCK、MOSI、MISO、CS 的逻辑电平；
  • 是否有电平匹配；
  • 模块是否容许信号输入的 5V；
  • 控制器输入是否容许 5V。

例如，RC522 通常需要 3.3V 电源和逻辑。不通过电平匹配将其连接到 5V Arduino 是个坏主意。

Klipper 中的 SPI

在 Klipper 中，SPI 用于各种设备：TMC 驱动器、加速度计、某些显示器和传感器。

配置可能包括：

  • cs_pin - 设备选择引脚；
  • spi_bus - 硬件 SPI 总线；
  • spi_speed - 速度（单位 Hz）；
  • spi_software_sclk_pin；
  • spi_software_mosi_pin；
  • spi_software_miso_pin。

如果设备连接到额外的 MCU，引脚应属于该 MCU。与其他 Klipper 部分一样，特定板的引脚分配比猜测更重要。

粗略示例：

[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

这不是特定设备的现成配置，而是一个示例：所有 SPI 引脚必须在模块实际连接的 MCU 上。

线路长度和干扰

SPI 可以高速工作，但不喜欢长的、杂乱的接线。

实用规则：

  • 保持 SCK、MOSI、MISO、CS 短；
  • 靠近 GND 布线；
  • 不要与加热器和电机线路平行布线；
  • 如果有错误，减少 spi_speed；
  • 使用适当的连接器；
  • 不要无缘无故地将 SPI 布线贯穿整个打印机；
  • 对于远程节点，更常选择 CAN、UART/RS-485 或靠近模块的单独 MCU。

SCK 线路特别敏感：它是时钟信号。如果它不干净，所有通信都会变得不稳定。

SPI 和 RC522

RC522 是一个很好的 SPI 模块示例，有命名混淆。

在许多 RC522 板上，SDA 引脚实际上用作 SPI 的 SS/CS。这不是 I2C 的 SDA。

对于 RC522，你通常需要：

  • 3.3V；
  • GND；
  • SCK；
  • MOSI；
  • MISO；
  • SDA/SS/CS；
  • RST；
  • 有时 IRQ，但在简单项目中通常不使用。

详细的接线图在实用文章中：连接 RFID 读卡器。

连接前的检查清单

连接 SPI 模块前，验证：

  • 模块电源；
  • 逻辑电平；
  • 特定板的引脚分配；
  • SCK、MOSI、MISO、CS 在哪里；
  • 是否需要 RST、DC、IRQ 或其他引脚；
  • 哪个 CS 分配给设备；
  • CS 是否与另一个模块冲突；
  • 是否需要硬件 SPI 或软件 SPI；
  • 文档推荐什么速度；
  • 固件是否支持此模块。

典型错误

  • 混淆了 MOSI 和 MISO；
  • 忘记了 CS；
  • 两个设备连接到一个 CS；
  • 没有连接公共 GND；
  • 将 5V 施加到 3.3V SPI 模块；
  • 将 RC522 上的 SDA 误认为 I2C SDA；
  • 选择了过高的速度；
  • 线路太长；
  • 将模块连接到一个 MCU，但指定了另一个的引脚；
  • 认为 SPI 是驱动负载的电源接口。

关键要点

SPI 是控制器附近模块的高速接口。通常你需要 SCK、MOSI、MISO、CS、电源和 GND。

与 I2C 的主要区别：SPI 通常没有地址，每个设备由单独的 CS 选择。连接前，验证引脚分配、逻辑电平、速度、线路长度和固件支持。

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