4. 传感器驱动开发（SPI）：从协议到实战

各位同学，欢迎来到第四章。这一章我们聊聊SPI传感器驱动。

说实话，SPI在嵌入式世界里太常见了。气压计、IMU、磁力计，很多传感器都走SPI。我这些年调试过的SPI设备，少说也有几十种。踩过的坑嘛...嗯，后面慢慢聊。

4.1 SPI总线协议回顾

先快速过一下SPI的基础。这东西说白了就是四根线：

• SCLK — 时钟线，由主机控制
• MOSI — 主机输出，从机输入
• MISO — 从机输出，主机输入
• CS — 片选，低电平有效

SPI是同步全双工的。什么意思？就是主机发数据的同时，从机也在发数据。你发一个字节，同时也会收到一个字节。这个特性在驱动开发中很重要，我后面会提到。

4.2 SPI的四种模式

SPI有四种模式，由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)决定：

模式	CPOL	CPHA	采样沿
模式0	0	0	上升沿采样
模式1	0	1	下降沿采样
模式2	1	0	下降沿采样
模式3	1	1	上升沿采样

我个人习惯先看数据手册，确认传感器支持哪种模式。大部分气压计和IMU都用模式0或模式3。选错了模式，读出来的数据全是乱的。我曾经因为这个排查了整整一个下午，最后发现是模式配错了。

4.3 PX4 SPI驱动框架

PX4的SPI驱动框架，说白了就是一套封装好的接口。你不需要直接操作寄存器，框架帮你搞定了底层的收发逻辑。

核心类就两个：

• SPI — 底层硬件抽象，负责收发数据
• SPI::Device — 设备抽象，封装了片选、频率、模式等参数

驱动开发时，你主要和SPI::Device打交道。它的构造函数长这样：

SPI::Device(const char *name,
            const char *bus,
            uint32_t frequency,
            spi_mode_e mode,
            uint8_t cs_gpio);

参数说明：

• name — 设备名称，比如"baro_ms5611"
• bus — 总线编号，比如"SPI1"、"SPI2"
• frequency — SPI时钟频率，单位Hz
• mode — SPI模式，0~3
• cs_gpio — 片选引脚号

4.4 编写一个SPI气压计驱动

好，理论说完了。我们动手写一个实际的驱动。以MS5611气压计为例。

MS5611这颗芯片很经典。它支持SPI和I2C两种接口。我们这里用SPI。

4.4.1 驱动结构

一个完整的SPI驱动，通常包含这几个文件：

• MS5611.hpp — 头文件，定义类和方法
• MS5611.cpp — 实现文件
• MS5611_SPI.cpp — SPI接口实现

我习惯把SPI相关的代码单独放一个文件。这样如果以后要加I2C版本，只需要加一个MS5611_I2C.cpp就行，核心逻辑不用动。

4.4.2 初始化流程

初始化SPI设备，第一步是创建SPI::Device对象：

// MS5611_SPI.cpp
#include "MS5611.hpp"

MS5611::MS5611(const char *bus, uint32_t frequency, spi_mode_e mode, uint8_t cs_gpio)
    : _dev(new SPI::Device("ms5611", bus, frequency, mode, cs_gpio))
{
    // 构造函数
}

然后复位传感器：

bool MS5611::init()
{
    // 复位命令: 0x1E
    uint8_t cmd = 0x1E;
    _dev->write(&cmd, 1);

    // 等待复位完成
    usleep(10000); // 10ms

    // 读取校准系数
    readCalibration();

    return true;
}

4.4.3 读取数据

MS5611的读取流程分两步：

1. 发送转换命令（气压或温度）
2. 等待转换完成，读取结果

代码实现：

bool MS5611::readPressure(float &pressure)
{
    // 发送气压转换命令 (0x48 对应OSR=4096)
    uint8_t cmd = 0x48;
    _dev->write(&cmd, 1);

    // 等待转换完成 (OSR=4096时约8.22ms)
    usleep(10000);

    // 读取ADC结果 (0x00)
    uint8_t reg = 0x00;
    uint8_t buf[3];
    _dev->writeRead(&reg, 1, buf, 3);

    // 组装24位数据
    uint32_t raw = ((uint32_t)buf[0] << 16) |
                   ((uint32_t)buf[1] << 8)  |
                   (uint32_t)buf[2];

    // 用校准系数计算实际气压值
    pressure = calculatePressure(raw);

    return true;
}

这里有个细节：writeRead函数同时完成写和读。因为SPI是全双工的，你发命令字节的同时，从机也在发数据。但MS5611的协议是先发命令，再读结果，所以分两次操作。

4.4.4 注册到PX4驱动框架

驱动写好了，怎么让PX4认识它？需要注册到驱动框架里：

// 在ms5611_main.cpp中
extern "C" __EXPORT int ms5611_main(int argc, char *argv[]);

int ms5611_main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 2) {
        PX4_ERR("usage: ms5611 start|stop|status");
        return 1;
    }

    if (strcmp(argv[1], "start") == 0) {
        // 创建驱动实例
        MS5611 *dev = new MS5611("SPI1", 5000000, SPIDEV_MODE0, GPIO_CS_MS5611);
        if (dev->init()) {
            // 注册到uORB
            dev->start();
            PX4_INFO("MS5611 started");
        } else {
            PX4_ERR("MS5611 init failed");
            delete dev;
        }
    }
    // ...
}

4.5 避坑指南

写SPI驱动，有几个坑我经常遇到：

• 片选时序不对 — 有些芯片要求CS在传输前后保持高电平一段时间。我遇到过一颗气压计，CS拉低后必须等1us才能开始传数据。手册里写得很隐蔽，差点没看到。
• 字节序问题 — MS5611的数据是大端模式，但有些芯片是小端。读出来数据不对，先检查字节序。
• 转换时间不够 — 气压计的ADC转换需要时间。等得太短，读出来的是上次的数据。我曾经因为这个，气压值一直不变，还以为是传感器坏了。

4.6 本章知识结构图

下面这张图，帮你理清SPI驱动开发的整体脉络：

这张图把SPI驱动开发的三个层次串起来了。从协议基础，到框架封装，再到具体实现。你写驱动时，脑子里要有这张图。

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