Linux SPI 应用编程
Linux SPI 应用编程
设备文件
/dev/spidevx.y
x是SPI总线号,即一组SCLK、MOSI、MISO
y是SPI设备号,同一条总线上用不同的片选信号区分:CE0、CE1等
对于树莓派,启用SPI功能后,有一条总线,两个设备:
/dev/spidev0.0
/dev/spidev0.1
树莓派上还可以通过dtoverlay使能第二条SPI总线,支持三个设备:
在config.txt中加入
dtoverlay=spi1-3cs
树莓派SPI相关PIN定义参考https://pinout.xyz/pinout/spi#
用户空间设备操作ioctl
相关头文件
#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <sys/ioctl.h>#include <linux/types.h>#include <linux/spi/spidev.h>
SPI设置:
- 时钟电平(CPOL)和采用阶段(CPHA)
- 时钟频率
- 片选电平
- 是否有片选信号
- 数据位数(通常为8bit)
- 数据位传输顺序(MSB或LSB)
- 3线或4线
功能 | cmd | arg | 参数说明 |
---|---|---|---|
读SPI工作模式 | SPI_IOC_RD_MODE | u8* | 包括1,3,4,6,7 |
读SPI工作模式 | SPI_IOC_RD_MODE32 | u32* | 包括1,3,4,6,7 |
设置SPI工作模式 | SPI_IOC_WR_MODE | u8* | 包括1,3,4,6,7 |
设置SPI工作模式 | SPI_IOC_WR_MODE32 | u32* | 包括1,3,4,6,7 |
读是否LSB | SPI_IOC_RD_LSB_FIRST | u8* | 返回0或1 |
设置是否LSB | SPI_IOC_WR_LSB_FIRST | u8* | 0或1 |
读字位数 | SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD | u8* | |
设置字位数 | SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD | u8* | |
读时钟频率 | SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ | u32* | |
设置时钟频率 | SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ | u32* |
如果CPOL=0,串行同步时钟的空闲状态为低电平;
如果CPOL=1,串行同步时钟的空闲状态为高电平;
时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。
如果CPHA=0,在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样;
如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样;
工作模式由位组合而成:
SPI_CPHA
SPI_CPOL
SPI_CS_HIGH
SPI_LSB_FIRST
SPI_3WIRE
SPI_NO_CS
更多内容参考spidev.h
数据传输
可以调用read/write进行读写,也可以使用ioctl同时写并且读。
无论使用哪种方式,一次读写的最大字节数不能超过spi底层bufsiz,bufsiz是SPI驱动内核模块参数(TODO 如何修改此参数???)
使用ioctl方式可以一次读写多块数据,多块数据通过spi_ioc_transfer结构数组传递
ioctl参数说明:
- cmd SPI_IOC_MESSAGE(N) 其中N是spi_ioc_transfer结构数组元素个数
- arg 是spi_ioc_transfer结构数组地址
注意:每个数据发送和接收的数据长度是相同的,可以通过将tx_buf置NULL只读或将rx_buf置NULL只写
delay_usecs,speed_hz,bits_per_word等参数可以设置为0,使用全局或默认设置
由于有发送长度和接收长度一致的限制,并且通常先发送命令再接收应答而不会同时进行,所以一般使用read/write就可以了。确实需要同时收发的可以使用两个spi_ioc_transfer结构,一发一收。
应用举例
以树莓派操作PN532 NFC模块为例:
PN532采用微雪的PN532 NFC HAT模块,这个模块有个问题是40PIN的PI接口里片选信号没有接到PI的CE0或CE1,而是接到了GPIO4,所以,我们使用模块上的树莓派插针通过杜邦线与树莓派进行连接,将D4(GPIO4)接到树莓派的CE0,其他插针依次对应连接即可。
注意:电源需要使用模块上的树莓派5V插针连接,如需使用3.3V,可以将电源连接到模块控制接口的3.3V和GND。
使用HAT方式连接:
模块在SPI通信模式下可以使用控制接口的RX作为片选输入,将模块上的控制接口RX与模块上的树莓派插针CE0或CE1短接,将拨码开关的NSS设置为OFF,断开GPIO4与PN532的连接,这样GPIO4还可以做其他用途。
从树莓派的PIN脚定义上看,树莓派并没有接收IRQ,也没有发送H_REQ
PN532的通信参数:
* The PN532 is configured as slave and is able to communicate with a host controller with a clock (SCK) up to 5MHz.
以下程序读取NFC tag的UID:
使用libnfc
// To compile this simple example:
// $ gcc -o quick_start_example1 quick_start_example1.c -lnfc
#include <stdlib.h>
#include <nfc/nfc.h>
static void
print_hex(const uint8_t *pbtData, const size_t szBytes)
{size_t szPos;for (szPos = 0; szPos < szBytes; szPos++) {printf("%02x ", pbtData[szPos]);}printf("\n");
}
int
main(int argc, const char *argv[])
{nfc_device *pnd;nfc_target nt;// Allocate only a pointer to nfc_contextnfc_context *context;// Initialize libnfc and set the nfc_contextnfc_init(&context);if (context == NULL) {printf("Unable to init libnfc (malloc)\n");exit(EXIT_FAILURE);}// Display libnfc versionconst char *acLibnfcVersion = nfc_version();(void)argc;printf("%s uses libnfc %s\n", argv[0], acLibnfcVersion);// Open, using the first available NFC device which can be in order of selection:// - default device specified using environment variable or// - first specified device in libnfc.conf (/etc/nfc) or// - first specified device in device-configuration directory (/etc/nfc/devices.d) or// - first auto-detected (if feature is not disabled in libnfc.conf) devicepnd = nfc_open(context, NULL);if (pnd == NULL) {printf("ERROR: %s\n", "Unable to open NFC device.");exit(EXIT_FAILURE);}// Set opened NFC device to initiator modeif (nfc_initiator_init(pnd) < 0) {nfc_perror(pnd, "nfc_initiator_init");exit(EXIT_FAILURE);}printf("NFC reader: %s opened\n", nfc_device_get_name(pnd));// Poll for a ISO14443A (MIFARE) tagconst nfc_modulation nmMifare = {.nmt = NMT_ISO14443A,.nbr = NBR_106,};if (nfc_initiator_select_passive_target(pnd, nmMifare, NULL, 0, &nt) > 0) {printf("The following (NFC) ISO14443A tag was found:\n");printf(" ATQA (SENS_RES): ");print_hex(nt.nti.nai.abtAtqa, 2);printf(" UID (NFCID%c): ", (nt.nti.nai.abtUid[0] == 0x08 ? '3' : '1'));print_hex(nt.nti.nai.abtUid, nt.nti.nai.szUidLen);printf(" SAK (SEL_RES): ");print_hex(&nt.nti.nai.btSak, 1);if (nt.nti.nai.szAtsLen) {printf(" ATS (ATR): ");print_hex(nt.nti.nai.abtAts, nt.nti.nai.szAtsLen);}}// Close NFC devicenfc_close(pnd);// Release the contextnfc_exit(context);exit(EXIT_SUCCESS);
}
使用ioctl/read/write
pn532.h
#pragma once#include <memory>namespace pn532
{const uint8_t TFI_H2P = 0xD4;
const uint8_t TFI_P2H = 0xD5;#pragma pack(1)
struct ni_frame_header
{uint8_t preamble;uint8_t start_code[2];uint8_t len;uint8_t lcs;uint8_t tfi;
};struct frame_tailer
{uint8_t dcs;uint8_t postamble;
};
#pragma pack()const uint8_t ACK_FRAME[6] = {0x00, 0x00, 0xFF, 0x00, 0xFF, 0x00};
const uint8_t NACK_FRAME[6] = {0x00, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00};
const uint8_t ERROR_FRAME[8] = {0x00, 0x00, 0xFF, 0x01, 0xFF, 0x7F, 0x81, 0x00};typedef std::shared_ptr<uint8_t[]> byte_ptr;
typedef byte_ptr data_ptr;
typedef byte_ptr frame_ptr;uint8_t checksum(const uint8_t * data, int data_len);
uint8_t checksum(data_ptr data, int data_len);
bool validate_checksum(const uint8_t * data, int data_len);
bool validate_checksum(data_ptr data, int data_len);
int cal_frame_len(int data_len);
frame_ptr new_frame(int frame_len);
int make_frame(uint8_t* buf, int buf_len, uint8_t tfi, const uint8_t* data, int data_len);
int make_frame(frame_ptr& frame, uint8_t tfi, data_ptr data, int data_len);const uint8_t SPI_DW = 0x01;
const uint8_t SPI_DR = 0x03;
const uint8_t SPI_SR = 0x02;int cal_spi_frame_len(int data_len);
int make_spi_frame(uint8_t* buf, int buflen, uint8_t spi_tfi, uint8_t tfi, const uint8_t* data, int data_len);
int make_spi_frame(frame_ptr& frame, uint8_t spi_tfi, uint8_t tfi, const uint8_t* data, int data_len);
int make_spi_frame(frame_ptr& frame, uint8_t spi_tfi, uint8_t tfi, data_ptr data, int data_len);}
pn532.cpp
#include "pn532.h"
#include <cassert>namespace pn532
{uint8_t checksum(const uint8_t * data, int data_len)
{assert(data_len >= 0);uint8_t cs = 0;const uint8_t* p = data;for (int i = 0; i < data_len; ++i){cs += *p++;}cs = (~cs) + 1;return cs;
}uint8_t checksum(data_ptr data, int data_len)
{return checksum(data.get(), data_len);
}bool validate_checksum(const uint8_t* data, int data_len)
{assert(data_len >= 0);uint8_t cs = 0;const uint8_t* p = data;for (int i = 0; i < data_len; ++i){cs += *p++;}return (cs == 0);
}bool validate_checksum(data_ptr data, int data_len)
{return validate_checksum(data.get(), data_len);
}int cal_frame_len(int data_len)
{assert(data_len >= 0);return sizeof(ni_frame_header) + data_len + sizeof(frame_tailer);
}frame_ptr new_frame(int frame_len)
{assert(frame_len >= 0);frame_ptr frame(new uint8_t[frame_len]);return frame;
}int make_frame(uint8_t* buf, int buf_len, uint8_t tfi, const uint8_t* data, int data_len)
{assert(data_len >= 0);int frame_len = cal_frame_len(data_len);if (buf == NULL || buf_len == 0){return frame_len;}if (buf_len < frame_len){return -1;}uint8_t* f = buf;ni_frame_header* h = (ni_frame_header*)f;uint8_t* d = f + sizeof(ni_frame_header);frame_tailer* t = (frame_tailer*)(d + data_len);h->preamble = 0x00;h->start_code[0] = 0x00;h->start_code[1] = 0xFF;h->len = data_len + 1;h->lcs = checksum(&h->len, 1);h->tfi = tfi;uint8_t dcs = tfi;const uint8_t* dd = data;for (int i = 0; i < data_len; ++i){*d++ = *dd;dcs += *dd++;}dcs = (~dcs) + 1;t->dcs = dcs;t->postamble = 0x00;return frame_len;
}int make_frame(frame_ptr & frame, uint8_t tfi, data_ptr data, int data_len)
{assert(data_len >= 0);int frame_len = cal_frame_len(data_len);frame = new_frame(frame_len);return make_frame(frame.get(), frame_len, tfi, data.get(), data_len);
}int cal_spi_frame_len(int data_len)
{return cal_frame_len(data_len) + 1;
}int make_spi_frame(uint8_t* buf, int buf_len, uint8_t spi_tfi, uint8_t tfi, const uint8_t* data, int data_len)
{int frame_len = cal_spi_frame_len(data_len);if (buf == NULL || buf_len == 0){return frame_len;}if (buf_len < frame_len){return -1;}buf[0] = spi_tfi;int ret = make_frame(buf+1, buf_len-1, tfi, data, data_len);if (ret < 0){return ret;}return frame_len;
}int make_spi_frame(frame_ptr& frame, uint8_t spi_tfi, uint8_t tfi, const uint8_t* data, int data_len)
{assert(data_len >= 0);int frame_len = cal_spi_frame_len(data_len);frame = new_frame(frame_len);return make_spi_frame(frame.get(), frame_len, spi_tfi, tfi, data, data_len);
}int make_spi_frame(frame_ptr& frame, uint8_t spi_tfi, uint8_t tfi, data_ptr data, int data_len)
{assert(data_len >= 0);int frame_len = cal_spi_frame_len(data_len);frame = new_frame(frame_len);return make_spi_frame(frame.get(), frame_len, spi_tfi, tfi, data.get(), data_len);
}}
get_uid.cpp
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/spi/spidev.h>
#include <string.h>
#include "pn532.h"using namespace pn532;#define IOCTL(fd, cmd, arg) \do\{\if (ioctl(fd, cmd, arg) == -1)\{\perror(#cmd);\close(fd);\return -1;\}\}\while(0)void reverse_byte(uint8_t & b)
{uint8_t res = 0;uint8_t ori = b;for (int i = 0; i < 8; ++i){res <<= 1;res |= ori & 0x01;ori >>= 1;}b = res;
}void reverse_bits(uint8_t * buf, int len)
{uint8_t* p = buf;for (int i = 0; i < len; ++i){reverse_byte(*p++);}
}int init_spi(const char * dev)
{static const uint8_t spi_mode = 0;static const uint8_t spi_lsb = 1;static const uint8_t spi_bpw = 8;//static const uint32_t spi_speed = 5000000;static const uint32_t spi_speed = 1000000;int fd = open(dev, O_RDWR);if (fd == -1){perror("open spi device:");return -1;}IOCTL(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &spi_mode);//IOCTL(fd, SPI_IOC_WR_LSB_FIRST, &spi_lsb);IOCTL(fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &spi_bpw);IOCTL(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &spi_speed);return fd;
}int sr_spi(int spi, const uint8_t* sendbuf, int sendlen, uint8_t* recvbuf, int recvlen)
{int trnum = 0;struct spi_ioc_transfer tr[2];memset(tr, 0, sizeof(tr));frame_ptr lsbbuf;if (sendlen > 0){lsbbuf = new_frame(sendlen);memcpy(lsbbuf.get(), sendbuf, sendlen);reverse_bits(lsbbuf.get(), sendlen);tr[trnum].tx_buf = (uint64_t)lsbbuf.get();tr[trnum].rx_buf = 0;tr[trnum].len = sendlen;++trnum;}if (recvlen > 0){tr[trnum].tx_buf = 0;tr[trnum].rx_buf = (uint64_t)recvbuf;tr[trnum].len = recvlen;++trnum;}if (trnum == 0){return -1;}if (ioctl(spi, SPI_IOC_MESSAGE(trnum), tr) != (sendlen + recvlen)){perror("spi send recv error:");return -1;}if (recvlen > 0){reverse_bits(recvbuf, recvlen);}return sendlen+recvlen;
}int send_spi(int spi, const uint8_t* sendbuf, int sendlen)
{return sr_spi(spi, sendbuf, sendlen, NULL, 0);
}int recv_spi(int spi, uint8_t* recvbuf, int recvlen)
{return sr_spi(spi, NULL, 0, recvbuf, recvlen);
}void print_hex(const uint8_t * buf, int len)
{const uint8_t * p = buf;for (int i = 0; i < len; ++i){printf("%02X ", *p++);if ((i+1) % 16 == 0){printf("\n");}}if (len % 16 != 0){printf("\n");}
}int wait_for_ready(int spi)
{static const uint8_t sr[] = {pn532::SPI_SR};uint8_t buf[1];while (1){usleep(10000);if (sr_spi(spi, sr, 1, buf, 1) != 2){printf("spi send recv error!\n");return -1;}if (buf[0] == 0x01)return 0;}return -1;
}#define BUF_SIZE 264int do_cmd(int spi, const uint8_t* cmd, int cmdlen, const char* cmdname, int answerlen)
{static const uint8_t dr[] = {pn532::SPI_DR};if (cmdname != NULL){printf("do command: %s\n", cmdname);}if (answerlen < 0){answerlen = BUF_SIZE;}uint8_t buf[BUF_SIZE];frame_ptr cmd_frame;int cmd_frame_len = make_spi_frame(cmd_frame, SPI_DW, TFI_H2P, cmd, cmdlen);print_hex(cmd_frame.get(), cmd_frame_len);if (send_spi(spi, cmd_frame.get(), cmd_frame_len) != cmd_frame_len){perror("write cmd");return -1;}if (wait_for_ready(spi) != 0){return -1;}printf("ready for ack!\n");if (sr_spi(spi, dr, 1, buf, 6) < 0){perror("read ack error");return -1;}printf("read ack: ");print_hex(buf, 6);if (wait_for_ready(spi) != 0){return -1;}printf("ready for answer!\n");if (sr_spi(spi, dr, 1, buf, answerlen) < 0){perror("read answer error");return -1;}printf("read answer: ");print_hex(buf, answerlen);return 0;
}int main(int argc, char *argv[])
{int spi = init_spi("/dev/spidev0.0");if (spi < 0){fprintf(stderr, "init spi device error!\n");return -1;}#if 0uint8_t gfv_data[] = {0x02};if (do_cmd(spi, gfv_data, sizeof(gfv_data), "get fireware version", 13) < 0){return -1;}
#endif#if 1uint8_t set_normal_mode_data[] = {0x14, 0x01, 0x00, 0x00};if (do_cmd(spi, set_normal_mode_data, sizeof(set_normal_mode_data), "set normal mode", 9) < 0){return -1;}
#endif#if 1uint8_t autopoll_data[] = {0x60, 0xff, 0x02, 0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x10, 0x11, 0x12, 0x20, 0x23};if (do_cmd(spi, autopoll_data, sizeof(autopoll_data), "auto poll", 32) < 0){return -1;}
#endif#if 0uint8_t lpt_data[] = {0x4A, 0x01, 0x00};if (do_cmd(spi, lpt_data, sizeof(lpt_data), "list passive target", 32) < 0){return -1;}
#endifclose(spi);return 0;
}
注意:在使用树莓派测试过程中发现以下问题:
树莓派的SPI驱动不支持设置LSB传输,只能以MSB传输,而PN532模块要求以LSB传输,所以应用程序只能在发送之前反转位序,然后发送,在接收之后反转位序,然后再处理数据;
PN532用户手册中的以下消息描述不是很清楚,其中DW,SR,DR都应该是主控发给PN532的,从PN532读到的数据中不包含这些内容。
如果以write写入SR,以read读取Status,则大概率会丢失数据导致检测不到ready状态,所以必须使用ioctl来一次完成写入SR,读入status;
如果检测到ready,但是不读取ack,程序退出了,那么下一次运行发送命令后就检测不到ready,推测PN532按错误处理丢弃了上一次的ACK和本次命令数据,所以再次运行发送命令后又可以检测到ready;因此建议在每次程序启动时复位一下PN532模块,避免之前程序退出遗留了ACK等数据导致程序逻辑错误。
参考
https://blog.csdn.net/TAlice/article/details/83868713
https://www.cnblogs.com/subo_peng/p/4848260.html
https://www.waveshare.net/wiki/PN532_NFC_HAT
https://pinout.xyz/pinout/spi#
https://github.com/nfc-tools/libnfc
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