Raspberry Pi - SPI/de
│
Deutsch (de) │
English (en) │
Nutzung der SPI-Schnittstelle am Raspberry Pi mit Freepascal
Gleich vorweg: Es ist eine gute Idee, für die Hardwarekomponenten wie SPI, I2C und GPIOs des Raspberry Pi die pascalio Lib (https://github.com/SAmeis/pascalio) zu verwenden.
Allerdings ist die pascalio auch sehr umfangreich und wer verstehen möchte, was da passiert, ist vielleicht mit dieser Anleitung ganz gut bedient.
SPI unter Linux
Auch für die SPI-Schnittstelle gilt das Linux-Prinzip "Alles ist eine Datei". Den Vorteil, dass man mit einfachen Dateizugriffen auf die Schnittstelle zugreifen kann, erkauft man sich allerdings mit geringerer Geschwindigkeit - meist unkritisch - und damit, dass auch andere Programme auf die gleiche Schnittstelle zugreifen können.
Auf dem Raspberry Pi (wir reden hier von Version 3 mit Raspbian Stretch, Stand Okt 2017) gibt es eine SPI-Schnittstelle, die 2 Devices ansprechen kann: /dev/spidev0.0 und /dev/spidev0.1 (Also genaugenommen gibt es mehrere, aber nur eine ist nach außen geführt.)
Zu den Grundlagen von SPI, Master-Slave, Verdrahtung siehe Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface
Header
unit test_spi;
{$mode objfpc}{$H+}
interface
uses
Classes, SysUtils, BaseUnix;
type
Tspi = class
procedure Init();
procedure Close();
function DataIn(var din; cnt : byte) : integer;
function DataOut(const dout; cnt : byte) : integer;
procedure TransferSync(const dout; var din; len : byte);
procedure TransmitSync(const dout; len : byte);
function FastShift(dout : byte) : byte;
private
{ private declarations }
public
{ public declarations }
end;
const
// SPI Mode Flags
cSPI_CPHA = $01;
cSPI_CPOL = $02;
cSPI_MODE_0 = (0 or 0);
cSPI_MODE_1 = (0 or SPI_CPHA);
cSPI_MODE_2 = (SPI_CPOL or 0);
cSPI_MODE_3 = (SPI_CPOL or SPI_CPHA);
cSPI_CS_HIGH = $04;
cSPI_LSB_FIRST = $08;
cSPI_3WIRE = $10;
cSPI_LOOP = $20;
cSPI_NO_CS = $40;
cSPI_READY = $80;
cSPI_CTRL = $6B; // ist das "Magic Byte"
// Controlregister
// Read/Write + Size + MagicByte + Register
cSPI_RD_MODE : uint32 = $80016B01;
cSPI_WR_MODE : uint32 = $40016B01;
cSPI_RD_LSB_FIRST : uint32 = $80016B02;
cSPI_WR_LSB_FIRST : uint32 = $40016B02;
cSPI_RD_BITS_PER_WORD : uint32 = $80016B03;
cSPI_WR_BITS_PER_WORD : uint32 = $40016B03;
cSPI_RD_MAX_SPEED_HZ : uint32 = $80046B04;
cSPI_WR_MAX_SPEED_HZ : uint32 = $40046B04;
cSPI_DEVICE = '/dev/spidev0.0'; // Device 0, ChipSelect 0
// cSPI_DEVICE = '/dev/spidev0.1'; // Device 0, ChipSelect 1
cSPI_SPEED = 1000000; // Datenrate in Hz
cSPI_BITS = 8; // Datenbits
cSPI_LSBF = 0; // LSB first = -1
cSPI_MODE = cSPI_MODE_0;
type
spi_ioc_transfer = record // Controlregister für FileIO benötigt
tx_buf : uint64; //pointer;
rx_buf : uint64; //pointer; // immer 64-bit
len : uint32; // Anzahl Zeichen
speed : uint32; // Datenrate in Hz
delay : uint16; // Verzögerung CS in usec
bpw : uint8; // Bits per Word
csc : uint8; // CS change
txn : uint8;
rxn : uint8;
pad : uint16;
end; // ingesamt 32 Byte
var
spi : Tspi;
spihnd : longint; // der filehandle für die Schnittstelle
implementation
Initialisierung
// SPI initialisieren
procedure Tspi.Init();
var
val8 : byte;
val32 : longword;
begin
try
spihnd := FpOpen(cSPI_DEVICE, O_RdWr); // Schnittstelle für Read/Write öffnen
if spihnd <> -1 then begin
val8 := cSPI_MODE;
FpIOCtl(spihnd, cSPI_WR_MODE, @val8); // Mode setzen
val8 := cSPI_BITS;
FpIOCtl(spihnd, cSPI_WR_BITS_PER_WORD, @val8); // Datenbits per Byte setzen
val8 := cSPI_LSBF; //-1
FpIOCtl(spihnd, cSPI_WR_LSB_FIRST, @val8); // MSB oder LSB first setzen
val32 := cSPI_SPEED;
FpIOCtl(spihnd, cSPI_WR_MAX_SPEED_HZ, @val32); // Speed setzen
end;
finally
end;
end;
Die Schnittstelle wird beim Programmstart geöffnet und die Parameter eingestellt. Die Parameter können auch später noch geändert werden. Zum Beispiel kann die Clockrate erst langsam gesetzt und dann erhöht werden, was für einige SD-Karten nötig ist.
Achtung! Die Clockrate wird aus dem momentanen Systemtakt abgeleitet. Ändert sich der Takt, ändert sich die Taktrate. So geht eine Clockrate von 1Mhz bei 600MHz Systemtakt bei höherer Prozessorlast und 1200MHz Systemtakt auf 2MHz hoch.
Und: Die Clockrate wird durch einen Teiler 2^n aus dem Systemtakt abgeleitet und stimmt nie genau. Wenn man 1MHz angibt, liegt die resultierende Rate irgendwo bei 800kHz.
Beenden
// SPI beenden
procedure Tspi.Close();
begin
if spihnd <> -1 then begin
FpClose(spihnd);
end;
end;
Ja, am Programmende machen wir die Schnittstelle brav wieder zu.
Daten auslesen
// SPI Buffer Read
function Tspi.DataIn(var din; cnt : byte) : integer;
begin
if spihnd <> -1 then begin
DataIn := FpRead(spihnd, din, cnt);
end;
end;
Da "Alles eine Datei" ist, können wir ein einfaches Read auf die SPI-Schnittstelle anwenden. Das gibt den Takt für die angegebene Anzahl Bytes aus und liest die Antwort des Devices in ein Array din.
Daten senden
// SPI Buffer Write
function Tspi.DataOut(const dout; cnt : byte) : integer;
begin
if spihnd <> -1 then begin
DataOut := FpWrite(spihnd, dout, cnt);
end;
end;
Genauso können wir Daten mit Write senden. Dabei wird die angegebene Anzahl Bytes aus dem Array dout ausgegeben.
SPI Transfer
Allerdings verlangen die meisten SPI-Devices eine etwas komplexere Interaktion als einfaches Senden und Empfangen. Oft werden gleichzeitig Daten gesendet und empfangen, und das überfordert die Möglichkeiten eines Read und Write. Hier brauchen wir eine Transfer-Funktion.
// SPI Daten senden, empfangen
procedure Tspi.TransferSync(const dout; var din; len : byte);
var
outbuf : array of byte;
inbuf : array of byte;
transfer : spi_ioc_transfer;
begin
if len > 0 then begin
SetLength(outbuf, len);
FillByte(outbuf[0], len, 0);
Move(dout, outbuf[0], len);
SetLength(inbuf, len);
FillByte(inbuf[0], len, 0);
FillByte(transfer, SizeOf(transfer), 0);
transfer.tx_buf := uint64(@outbuf[0]);
transfer.rx_buf := uint64(@inbuf[0]);
transfer.len := len;
transfer.delay := 0;
transfer.speed := cSPI_SPEED;
transfer.bpw := cSPI_BITS;
transfer.csc := 0;
try
FpIOCtl(spihnd, $40206B00, @transfer);
finally
Move(inbuf[0], din, len);
end;
end;
end;
Das ist jetzt schwierig. Um gleichzeitig Senden und Empfangen zu können, brauchen wir zwei Buffer outbuf und inbuf, in die wir die Daten spiegeln. Deren Startadressen übergeben wir - unbedingt als 64-bit-Werte, auch bei einem 32bit-OS - in das Transfer-Register. Außerdem bekommt das Register noch die zu übertragende Anzahl Bytes und ein paar Einstellungen übergeben.
Witzigerweise kann man hier jedesmal die Einstellungen ändern, also zum Beispiel die Clockrate anpassen.
Anschließen übergeben wir das Transfer-Register mit den Einstellungen dem Dateihandler, der brav die Arrays abklappert und die Daten rausschickt und einliest. Das mystische $40206B00 ist dabei wieder ein Write ($40), gefolgt von der Anzahl der Bytes im Transfer-Register ($20 = 32 Bytes), dem Magic Byte ($6B, siehe oben) und dem Controlregister ($00) der Schnittstelle. Einfach so lassen und nicht dran rumfummeln.
Disclaimer: Das funktioniert hier und jetzt auf dem Raspberry Pi 3 unter Raspbian. Das kann auf anderen Linux-OS und Hardware-Plattformen anders aussehen, vor allem wenn die Byteorder der Adressen eine andere ist.
Und wenn ich nur Daten empfangen will? Dann übergebe ich einfach ein leeres Array. Ich kann auch für dout und din das gleiche Array angeben, dann werden die alten Arraydaten mit den neuen Daten überschrieben.
SPI Transmit
// SPI Daten senden ohne Empfang
procedure Tspi.TransmitSync(const dout; len : byte);
var
outbuf : array of byte;
transfer : spi_ioc_transfer;
begin
if len > 0 then begin
SetLength(outbuf, len);
FillByte(outbuf[0], len, 0);
Move(dout, outbuf[0], len);
FillByte(transfer, SizeOf(transfer), 0);
transfer.tx_buf := uint64(@outbuf[0]);
transfer.rx_buf := uint64(@outbuf[0]); // gleicher Buffer
transfer.len := len;
transfer.delay := 0;
transfer.speed := cSPI_SPEED;
transfer.bpw := cSPI_BITS;
transfer.csc := 0;
try
FpIOCtl(spihnd, $40206B00, @transfer);
finally
end;
end;
end;
Sollen Daten nur geschrieben werden, kann man obiges DataOut nehmen, oder diese abgespeckte Variante der Tranfer-Routine.
SPI FastShift
// SPI einzelnes Byte senden, empfangen
function Tspi.FastShift(dout : byte) : byte;
var
din : byte;
transfer : spi_ioc_transfer;
begin
din := 0;
FillByte(transfer, SizeOf(transfer), 0);
transfer.tx_buf := uint64(@dout);
transfer.rx_buf := uint64(@din);
transfer.len := 1;
transfer.delay := 0;
transfer.speed := cSPI_SPEED;
transfer.bpw := cSPI_BITS;
transfer.csc := 0;
try
FpIOCtl(spihnd, $40206B00, @transfer);
finally
FastShift := din;
end;
end;
Wird nur ein einzelnes Byte gesendet und empfangen, zum Beispiel für eine Statusabfrage, bietet sich diese Version an. Hier steht das Ergebnis nicht in einem Buffer, sondern wird als Funktionswert zurückgegeben.
Fertsch
end.