一个python小函数揭露我的『编码设计智慧』
2026/1/16 13:19:09
树莓派如何用SPI读取ADC？手把手教你搭建高精度模拟信号采集系统
你有没有遇到过这样的情况：想用树莓派读一个温度传感器的电压，却发现它没有模拟输入口？没错，尽管树莓派功能强大，但它天生缺少ADC（模数转换器）。这意味着所有来自电位器、光敏电阻、热敏电阻甚至麦克风的模拟信号，都无法直接被树莓派“看懂”。
那怎么办？难道只能换平台或者加一块Arduino做中转？
其实不用。我们只需要一片几块钱的芯片——比如MCP3008，再通过树莓派自带的SPI 接口，就能轻松实现多路模拟信号的高速、稳定采集。
今天我就带你从零开始，一步步搞定这个在物联网和嵌入式项目中最常用也最关键的技能：用 SPI 读取外部 ADC 数据。不只是贴代码，更要讲清楚每一步背后的逻辑，让你真正掌握原理，举一反三。
为什么是 SPI？而不是 GPIO 模拟读或 I²C？
在动手之前，先回答一个问题：为什么非得用 SPI？
有人可能会说：“我听说过可以用脉冲宽度调制（RC 充放电）来‘模拟’读取模拟值。” 这种方法确实存在，但问题很多：
- 精度极低，受寄生电容影响大；
- 响应慢，不适合连续采样；
- 占用 CPU 时间长，无法用于实时系统。
而另一个常见选择 I²C 虽然接线简单（只有两根线），但它的速度通常限制在几百 kHz 到 1MHz，对于需要快速轮询多个通道的应用来说显得力不从心。
相比之下，SPI 的优势就非常明显了：
- 支持高达数十 MHz 的时钟频率（树莓派实测可达 32MHz）；
- 全双工通信，发送命令的同时就能接收数据；
- 协议简单，无地址仲裁开销，延迟更低；
- 可靠性高，特别适合与 ADC、DAC、Flash 存储等外设配合使用。
所以，在追求性能和稳定性的项目中，SPI + 外部 ADC 是最佳组合之一。
MCP3008：你的第一块 SPI ADC 芯片
我们要用的主角是Microchip 出品的 MCP3008—— 一款经典的 10 位、8 通道 SPI ADC 芯片。别看它小，能力可不小。
它到底能干什么？
简单说：把 0~3.3V 的电压变成 0~1023 的数字值，而且可以同时接 8 个不同的传感器！
比如你可以：
- CH0 接光照强度，
- CH1 接温度，
- CH2 接声音，
- ……一直到 CH7 接压力传感器。
然后让树莓派轮流问：“现在每个传感器是多少？”——一次通信只要几十微秒，完全感觉不到卡顿。
关键参数一览
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 分辨率 | 10 位 | 最大输出值为 $2^{10} - 1 = 1023$ |
| 输入范围 | 0 ~ VREF | 一般接 3.3V，即每 LSB ≈ 3.22mV |
| 最大采样率 | ~200ksps | 实际受 SPI 速率和软件控制限制 |
| 工作电压 | 2.7V ~ 5.5V | 完美兼容树莓派 3.3V 电平 |
| 接口 | SPI Mode 0 / 1 | 默认推荐 Mode 0 |
✅ 提示：如果你需要更高精度，后续可以升级到 MCP3208（12 位）或 ADS1115（16 位，I²C 接口）
硬件怎么连？一张图看懂 SPI 接线
先把 MCP3008 插到面包板上，然后按照下面这张表连接到树莓派 GPIO 引脚（以标准 40 针 Raspberry Pi 为例）：
| MCP3008 引脚 | 功能说明 | 连接到树莓派 GPIO | 物理引脚号 |
|---|---|---|---|
| Pin 9 (VDD) | 电源正极 | 3.3V | Pin 1 |
| Pin 10 (VSS) | 地 | GND | Pin 6 |
| Pin 11 (CLK) | SCLK（时钟） | SCLK → GPIO11 | Pin 23 |
| Pin 12 (DOUT) | MISO（主入从出） | MISO → GPIO9 | Pin 21 |
| Pin 13 (DIN) | MOSI（主出从入） | MOSI → GPIO10 | Pin 19 |
| Pin 14 (CS/SHDN) | 片选 | CE0 → GPIO8 | Pin 24 |
| Pin 15~18 | 模拟输入 CH0~CH7 | 接传感器输出 | - |
| Pin 16 (VREF) | 参考电压 | 接 3.3V | 同 VDD |
📌特别注意：
- 所有电源引脚都要接稳！建议在 VDD 和 GND 之间并联一个0.1μF 陶瓷电容，滤除高频噪声。
- VREF 必须接干净的参考电压。如果和电机共用电源，读数会跳得厉害。
- GND 一定要共地！否则会出现“地弹”，导致数据错乱。
软件准备：开启 SPI 接口
硬件接好了，接下来要告诉树莓派：“我要用 SPI。”
默认情况下，树莓派的 SPI 是关闭的，我们需要手动启用。
打开终端，运行：
sudo raspi-config进入菜单：
Interface Options → SPI → Yes → Enable SPI interface
确认后重启：
sudo reboot重启完成后，检查设备是否识别成功：
ls /dev/spi*你应该看到两个设备文件：
/dev/spidev0.0 /dev/spidev0.1这代表 SPI 总线 0 上的两个片选设备（CE0 和 CE1）。我们现在用的是 CE0（GPIO8），所以对应/dev/spidev0.0。
Python 实现：三步走策略读取 ADC
我们使用 Python 中的spidev库来操作 SPI 设备。它是 Linux 下标准的用户空间 SPI 驱动接口封装，轻量又高效。
第一步：安装依赖库
pip install spidev不需要 root 权限也可以读写 SPI 设备（只要用户在spi组里，通常默认已加入）。
第二步：编写核心读取函数
下面是完整可运行的代码，我已经加上了详细注释，帮你理解每一行的意义。
import spidev import time # 初始化 SPI spi = spidev.SpiDev() spi.open(0, 0) # 总线0，设备0（对应 CE0） spi.max_speed_hz = 1350000 # 设置时钟频率为 1.35MHz spi.mode = 0 # CPOL=0, CPHA=0 → SPI Mode 0 def read_adc(channel): """ 读取 MCP3008 指定通道的 ADC 值（0~7） """ if not 0 <= channel <= 7: raise ValueError("通道必须是 0~7") # 构造发送的三个字节 cmd1 = 0x01 # 起始位 cmd2 = (0x08 | channel) << 4 # SGL=1 (单端), 并设置通道号 cmd3 = 0x00 # 无意义占位 # 发送并接收等长数据 raw = spi.xfer2([cmd1, cmd2, cmd3]) # 解析返回值： # 返回格式: [dummy, MSB部分, LSB部分] # 真正的数据在 reply[1] 的低2位 + reply[2] 的全部8位 value = ((raw[1] & 0x03) << 8) | raw[2] return value # 主循环测试 try: while True: adc_val = read_adc(0) # 读取 CH0 voltage = (adc_val / 1023.0) * 3.3 # 转成电压（V） print(f"ADC: {adc_val}, Voltage: {voltage:.3f}V") time.sleep(0.5) except KeyboardInterrupt: print("\n退出程序") finally: spi.close() # 记得关闭设备🔍 关键点解析
1.spi.open(0, 0)是什么意思？
- 第一个
0表示 SPI 总线编号（通常是 0）； - 第二个
0表示设备选择（CE0 → spidev0.0，CE1 → spidev0.1）。
2. 为什么要设max_speed_hz = 1350000？
虽然 MCP3008 支持最高 3.6MHz，但在实际布线中，过高的频率容易引起信号完整性问题（尤其是面包板）。1.35MHz 是一个兼顾速度与稳定的折中值，实测非常可靠。
3. 为什么是mode=0？
因为 MCP3008 要求：
- 时钟空闲时为低电平（CPOL=0）
- 数据在时钟上升沿采样（CPHA=0）
合起来就是SPI Mode 0，必须匹配，否则通信失败。
4.xfer2()和xfer()有什么区别？
xfer()：每次传输结束后释放 CS（片选），适合分段通信；xfer2()：保持 CS 拉低完成整个事务，更符合 MCP3008 的时序要求，推荐使用。
5. 数据是怎么解析出来的？
这是最容易出错的地方！我们来看手册里的时序图：
MCP3008 在收到命令后，会在第三个字节期间开始返回数据。但由于 SPI 是同步移位，主机必须发送三个字节才能换来三个字节。
返回的数据结构如下：
reply[0]: dummy byte（无效） reply[1]: 包含结果的高两位（bit 9 和 bit 8） reply[2]: 结果的低八位（bit 7 ~ bit 0）所以我们这样提取：
value = ((raw[1] & 0x03) << 8) | raw[2]raw[1] & 0x03：取出低两位（即原始数据的 bit9 和 bit8）- 左移 8 位后与
raw[2]合并，得到完整的 10 位数值。
常见坑点与调试技巧
别以为写完代码就万事大吉。我在实际项目中踩过的坑，现在都告诉你，帮你省下三天调试时间。
❌ 问题 1：总是返回 0 或 1023
可能原因：
- 电源没接好，VDD 或 VREF 浮空；
- GND 没共地，形成电压差；
- SPI 模式不对（误设为 Mode 1/2/3）；
✅解决方法：
用万用表测一下 MCP3008 的 VDD 是否确实是 3.3V；检查 GND 是否连通；确认spi.mode = 0。
❌ 问题 2：数据剧烈跳动
可能原因：
- 电源噪声大（比如和电机共用电源）；
- 模拟输入线太长，成了天线；
- 缺少去耦电容。
✅解决方法：
- 加一个0.1μF 陶瓷电容贴近 MCP3008 的 VDD-GND；
- 使用屏蔽线或尽量缩短走线；
- 对采集值做软件滤波（如滑动平均）。
# 示例：3 点滑动平均滤波 buffer = [0, 0, 0] def smooth_read(channel): buffer.pop(0) buffer.append(read_adc(channel)) return sum(buffer) // len(buffer)❌ 问题 3：程序报错 “Permission denied” 或找不到设备
可能原因：
- SPI 未启用；
- 当前用户不在spi用户组。
✅解决方法：
运行：
sudo usermod -aG spi $USER然后重新登录或重启。
实际应用场景举例
掌握了这项技术，你能做的事情远不止“读个电压”。
🌡️ 场景 1：温湿度监控系统
将 NTC 热敏电阻接入 CH0，配合查表法或 Steinhart-Hart 方程，精确计算环境温度。
💡 场景 2：智能灯光控制
用光敏电阻检测环境亮度，自动调节 LED 灯带亮度，实现“随光而变”。
🎤 场景 3：简易音频频谱仪
麦克风经过前置放大后接入 ADC，用 Python 实时绘制声波曲线，做个迷你示波器。
🧪 场景 4：工业传感器网关
一台树莓派挂 8 个不同类型的模拟传感器，定时采集并通过 MQTT 发送到云端服务器。
更进一步：设计考量与进阶方向
当你已经能稳定读取数据，就可以思考如何做得更好。
✅ 提升精度的方法
- 使用独立的基准电压源（如 REF3033）替代树莓派的 3.3V；
- 改用差分输入模式（MCP3008 支持），抑制共模干扰；
- 添加校准机制：记录零点漂移和满量程误差，动态补偿。
⚙️ 提高性能的方向
- 使用DMA + SPI实现不间断高速采样（需 C/C++ 或内核模块）；
- 结合RT-Preempt 补丁构建实时系统，确保定时精度；
- 利用 FIFO 缓冲批量读取，降低 CPU 占用率。
🔄 替代方案对比
| 芯片 | 接口 | 分辨率 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| MCP3008 | SPI | 10 位 | 快速、便宜、多通道 | 精度有限 |
| MCP3208 | SPI | 12 位 | 更高分辨率 | 成本略高 |
| ADS1115 | I²C | 16 位 | 内置 PGA，支持小信号放大 | 速度较慢，仅 4 通道 |
根据需求灵活选择才是高手之道。
如果你现在正打算做一个传感器采集项目，不妨试试这套 SPI + MCP3008 的组合拳。成本不到十元，却能带来工业级的可靠性与扩展性。
更重要的是，一旦你掌握了这种“打通物理世界与数字系统”的能力，你会发现——原来树莓派的潜力，远远不止跑个网页或播个视频那么简单。
你已经在构建真正的感知系统了。
如果有任何问题，欢迎在评论区留言交流。下次我们可以聊聊如何用 DMA 实现百万级采样率，或者如何把 ADC 数据绘制成实时图表。