第30课 初识 SPI 与数字电位器 MCP41xxx

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我是潘，曾经是个工程师。这是 “Arduino 公开课” 系列的入门教程。之前介绍了飞利浦的 I2C 协议，从本课将开始介绍 SPI 总线；但 SPI 不能称为协议，因为与 I2C 不同，它并没有一个机构为其制定任何标准，也正因如此，SPI 运用要比 I2C 灵活。有任何疑问请在评论区提出，我会逐一回答。

与 I2C 两根数据线相比，要用到4根数据线的 SPI 好像更复杂了。实际并非如此。首先，SPI 总线没有 I2C 复杂时序设计。其次，I2C 寻址和数据操作都是在两条数据线上的，而 SPI 总线上每个从属设备都有一条物理地址线与主机连接，谁的地址线电位低，谁就是操作对象，不容易出错。

先就此打住，实践中获得真知是 ArduiCo 的理念 ，因此我先从最简单通信方式讲起，直到我们对 SPI 的运用了然于心后，再深入总线内部，与 I2C 来一次大对决。

不过，我们还先得从理论讲起……

SPI 是 “Serial Peripheral Interface” （串行外设接口）的缩写，通信由 3 条 数据线和 1 条寻址线来负责：

MOSI，“Master-out, Slave-in”，主机发送，从机接收
MISO，“Master-in, Slave out”，主机接收，从机发送
SCK，“Serial clock”，时序
SS，“Slave-select”，从机寻址，1 条数据线接 1 个从机，不能连接多个；低电平时，该从机进行读写操作。

发现问题了吗？ I2C 两天数据线是 1 根时序（SCL）和1 根数据（SDA），单根 SDA 要负责发送和接收，而 SPI 的接收和发送是分开两根数据线的。这意味着，后者可以工作在“全双工”（同时收发）状态，而 I2C 只能工作在半双工（要么接收、要么发送）状态。另外，I2C 的 SDA 还要负责寻址，会导致切换设备时产生延迟。

在这系列教程中,我们约定 Arduino 是主机，所有传感器等设备都是从机。对 Arduino UNO来说， 已经默认了 4 个 I/O 为 SPI 接口:

MOSI，D11;
MISO，D12;
SCK，D13;
SS，寻址端默认为 D10，但连接多个设备时，可将D9、D8……只要你有足够的数字端口，都可以设置为寻址端。

不同版本的开发板默认接口不一样，Mega 的 MISO 为 50, MOSI 为 51, SCK 为 52 and SS 通常是 53。具体请参考官方文档。 SPI 连接多个设备的方式如下：

一个从属设备需要一根 SS 寻址线，这是SPI的优点，也是缺点，因为 Arduino 的接口有限。另外，请记住，SS 低电平时，对应设备进入操作状态，所以连接多个设备时，SS 尽量设置上拉电阻。

SPI 设备通信以 byte 为单位，每次可以传输一个 8bits 数据，相当于 0~255 值。数据结构如下：

SPI 通信时要先定义从 byte 那一边读起，如图所示，左边为 MSB，右边是 LSB，大部分情况我们都会选择从 MSB 读起。

8bits 二进制数据除了数值，还能代表8位开/关的控制命令，这个参数设定非常多样，具体要看 DataSheet 的图例。我们现在就拿数字电位器 MCP41xxx（单通道） /MCP42xxx（双通道） 来举例：

SI 就是 MOSI，Arduino 向设备发送数据。要操作这个电位器，起码要发送，COMMAND Byte 和 Data Byte 两个字节的数据。

首先，发送一个 COMMAND Byte，C1、C0 bits 用于设置电位器的状态，P1、P0 用于选择通道（仅对双通道的 MCP42xxx 适用）。然后，发送 Data Byte，给电位器设置 0~255 值。

程序怎么写呢？Arduino 已经内置了SPI 库：

下一步，void setup() 中声明 SS 寻址线的输出状态，记住： SS 为低电平时，对应设备可进行读写操作：

启动 SPI 总线：

我们需要设置从 MSB 读取，还是 LSB 读取，默认是前者：

设置完成后，要对设备进行读写，操作逻辑是先把SS拉低，然后 transfer 数据：

数据传输完成后，将 SS 拉高：

是否感觉到发送模式很简单？一般来说，要理解 DataSheet 是很费劲（但不困难），但只要通过简单的演示，就变得很容易理解了。

两周前，我专门订购了几块 MCP41010 数字电位器（MCP41xxx，100表示 100KΩ，050表示 50KΩ，010 表示 10KΩ；MCP42xxx系列是双通道的，适合立体声音频控制。另外，同类芯片还有 MCP4162，但市面很少见），含进口税价大概 6.5 元 1 片。为什么要用这块 IC 来讲解，因为它的数据结构是最直观的（DataSheet）：

按照 DataSheet 的标识，连接 Arduino UNO 默认的 SPI 端口即可，但 MISO悬空，因为数据电位器没有数据要反馈给 Arduino：

MOSI，D11;
MISO，无，悬空
SCK，D13;
CS（即SS），D10
Vdd，5V
Vss，GND

IC上，剩下的 3个引脚分别是电位器 PB0 端（B）、PW0（Wiper）、PA0 端（A），我们程序要控制的是 Wiper ，相当于旋转电位器的中间引脚，电阻向B滑动，B端和W端的电阻 Rbw 变小，W 端和A端之间的电阻 Rwa 变大，反之亦然。

根据电阻分压原理，我们将 B 端连接到 Arduino 3.3V端口，A 端连接到 GND，然后调整 Wiper，并测量 W端 它与 GND之间的电压：

V = V * （Rwa）/（Rbw + Rwa）

没有看懂？请找本初中物理课本，复习“电阻”那一章。

下面的程序会让Wiper不断向两边滑动，电压不断起伏变化：

我们会看到电压来回变化：