工作原理及應(yīng)用實例分析

AD〃C812串行外設(shè)接口（SPI）工作原理及應(yīng)用實例分析本文主要從全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADpC812入手，通過首先分析其串行外設(shè)接口SPI的工作原理與系統(tǒng)組成，并用一個主機與從機的電路連接實例來說明其串行外設(shè)接口的具體應(yīng)用特征，提供給嵌入式學(xué)習(xí)研究者一個完整的SPI串行接口方案。ADpC812在單個芯片內(nèi)包含了高性能的自校準(zhǔn)多通道ADC、2個12位DAC以及可編程的8位MCU（與8051兼容）。為便于MCU與各種外圍設(shè)備進(jìn)行通信，ADpC812提供了3種串行I/O端口：UART接口、I2C兼容的串行接口和串行外設(shè)接口（SPI）。其中，SPI接口是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口，是一種全雙工、三線通信的系統(tǒng)。它允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式（8位數(shù)據(jù)同時、同步地被發(fā)送和接收）進(jìn)行通信。在SPI接口中，數(shù)據(jù)的傳輸需要1個時鐘信號和兩條數(shù)據(jù)線。SPI可工作在主模式或從模式下。在主模式，每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收需要1次時鐘作用；而在從模式下，每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時鐘信號之后才發(fā)送/接收。1個典型的SPI系統(tǒng)包括1個主MCU和1個或幾個從外圍器件。SPI接口可設(shè)置成在發(fā)送/接收1個字節(jié)的結(jié)束時產(chǎn)生1次中斷。主時鐘可以通過編程而成為不同的狀態(tài)，既可編程為4種不同主波特率的任一種，又可對時鐘的極性和相位進(jìn)行編程。SPI也可用于那些需要比微控制器上的并行I/O端口更多輸入或輸出端的場合中。SPI提供了一種擴展I/O功能的最簡單的辦法，只需使用最少的微控制器引腳。SPI串行接口可以在短距離內(nèi)進(jìn)行主機與從機的數(shù)據(jù)傳送，并且具有多種可調(diào)的傳輸方式、連接電路簡單、使用方便等優(yōu)點。為實現(xiàn)主機和從機及從外圍設(shè)備的通信提供了一種簡單、易行的方案。一、工作原理1、SPI的信號說明SPI系統(tǒng)使用4條線可與多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口：ADpC812的串行外設(shè)接口（SPI）及其應(yīng)用2串行時鐘線（SCLOCK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS。SCLOCK是主機的時鐘線，為MISO數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時鐘信號。每一位數(shù)據(jù)的傳輸都需要1次時鐘作用，因而發(fā)送或接收1個字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8個時鐘的作用。主機的時鐘是通過主機的硬件設(shè)置的，并和各個從機的SCLOCK相連。時鐘的波特率、極性、相位是由SPICON（SPI控制寄存器）來設(shè)置的。MISO是主機的輸入/從機的輸出數(shù)據(jù)線。主機的MISO應(yīng)與從機的MISO相連進(jìn)行高位在前的數(shù)據(jù)交換。MOSI是SPI接口的SPI主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)引腳。這一引腳應(yīng)當(dāng)連接主微控制器的數(shù)據(jù)輸出和從微控制器的數(shù)據(jù)輸入端MOSI，進(jìn)行高位在前數(shù)據(jù)的交換。SS只在從方式中用于低電平選中從。SS對應(yīng)的是P1.5，在初始化時P1口被設(shè)置為模擬輸入，因而通過清除P1.5可將其設(shè)置為數(shù)據(jù)輸入，才可完成主、從機的通信。2、SPI的寄存器SPI有2個相關(guān)寄存器：SPICON和SPIDAT，其中SPICON包含各種標(biāo)志位、使能位、方式位及時鐘位。當(dāng)發(fā)送和接收1字節(jié)數(shù)據(jù)完畢時自動置全。該位也可以通過軟件控制。當(dāng)于中斷時，應(yīng)當(dāng)打開中斷EA,將IE2.0置位。當(dāng)執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，硬件自動清除該位WCOL寫沖突錯誤標(biāo)志位。當(dāng)SPI正進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，若向SPIDAT中寫數(shù)據(jù)將產(chǎn)生寫沖突錯誤，寫入的數(shù)據(jù)將無效，原有交換繼續(xù)執(zhí)行。必須由軟件清除SPESPI使能位。SPE=0,I2C串口使能，SPI串口禁止；SPE=1，I2C串口禁止，SPI串口使能SPIM主模式選擇位。SPIM=0,SPI工作于從模式；SPIM=1，SPI工作于主模式CPOL時鐘極性選擇位。CPOL=0，主機時鐘有高到低的跳變讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)字節(jié)之間傳輸時，時鐘處于高電平空閑狀態(tài)；CPOL=1，主機時鐘有低到高的跳變讀取數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)字節(jié)之間傳輸時時鐘處于低電平空閑狀態(tài)（見圖1）CPHA時鐘相位選擇位。CPHA=0，傳輸數(shù)據(jù)的高位MSB在SS的降沿出現(xiàn)，在時鐘第1個前沿讀入；之后下一數(shù)據(jù)位在時鐘后沿出現(xiàn)，在下一個前沿讀入；直到8位數(shù)據(jù)讀完。CPHA=1，數(shù)據(jù)在時鐘前沿出現(xiàn)，在同一時鐘周期的后沿讀入（見圖1）。讀位還可控制從機的同步方式SPR1SPR0SPI波行選擇位。SPR1SPR0波特率00fosc/401fosc/810fosc/3211fosc/64注：從方式下這兩位都清零另一個SPI寄存器是SPIDAT。對這一寄存器的寫操作會產(chǎn)生從高位開始的一位位的數(shù)據(jù)發(fā)送。如果寫操作發(fā)生在其他數(shù)據(jù)正在傳遞的過程中，那么WCOL將置位。如果寫操作進(jìn)行時沒有其他數(shù)據(jù)在傳遞，SPIDAT中的數(shù)據(jù)將自動鎖存到移位寄存器中，移位寄存器從高位開始發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后輸入的字節(jié)將鎖存到SPIDAT中，可進(jìn)行軟件讀出。3、主模式發(fā)送和接收可以同時工作在主模式下。主模式的顯著特征是不論是發(fā)送還是接收始終有SCLOCK信號，SS信號不是必需的。因為SPI串口只能有一片主機，因而不存在主機的選擇問題。發(fā)送操作是由向SPIDAT中寫數(shù)據(jù)而觸發(fā)的。在主模式下，時鐘信號的1次作用對應(yīng)一位數(shù)據(jù)的發(fā)送（MISO）和另一位數(shù)據(jù)的接收（MOSI）。如圖2所示，在主機中數(shù)據(jù)從移位寄存器中自左向右發(fā)出送到從機（MOSI），同時從機中的數(shù)據(jù)自右向左發(fā)到主機（MISO），經(jīng)過8位時鐘周期完成1個字節(jié)的發(fā)送。輸入字節(jié)保留在移位寄存器中，此時ISPI自動置位（如果有中斷設(shè)置，則產(chǎn)生中斷），移位寄存器的數(shù)據(jù)將被鎖存到SPIDAT中，此后對SPIDAT的讀操作將把數(shù)據(jù)讀出。將主機的SS和從機SS的相連的方式?jīng)]有意義，因為P1.5只可作輸入，所以主機的SS不能為從機的SS提供選通信號。為了解決這一問題，可利用主機其他輸入/輸出口線與從機的SS相連，實現(xiàn)選通控制，可以有多根口線控制多個從機。如果要讀取主機SS的狀態(tài)，需要將主機的SS與主機上另一根輸入/輸出口線相連，通過對該口線讀操作獲取主機SS的狀態(tài)。4、從模式發(fā)送和接收可以同時工作在從模式下。ADMC812的串行外設(shè)接口（SPI）及其應(yīng)用3從模式的顯著特征是：不論是發(fā)送還是接收始終必須在SCLOCK信號作用下進(jìn)行，并且SS信號必須有效。SS在初始化之后，要設(shè)置為數(shù)字輸入（CLRP1.5），當(dāng)SS信號無效時，數(shù)據(jù)的發(fā)送無法進(jìn)行并且輸入的數(shù)據(jù)視為無效。這是因為輸入的時鐘信號是與SCLOCK的邏輯與操作，而SCLOCK信號是SS的反轉(zhuǎn)。這樣當(dāng)SS為高時，就沒有時鐘信號輸入。當(dāng)CPHA=1時，SS始終置地；當(dāng)CPHA=0時，在從機接收到第1個時鐘之前SS必然置低，在接收完畢之后必然置高。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的過程見圖2,與主模式下基本相似，只是移位寄存器的數(shù)據(jù)移出和輸入方向與之相反。從模式下的SS信號也須通過連接其他口線來讀取狀態(tài)。5.從模式下的時鐘同步通過設(shè)置CPHA位可以獲得從模式下的兩種同步方式。由于SCLOCK信號線可能存在干擾脈沖，如果這些干擾脈沖大到一定程序，從機時就會誤認(rèn)為收到了時鐘信號，將導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯誤。這樣依靠同步結(jié)構(gòu)的SPI將失去同步的意義。CPAH=1時，如果有其他脈沖的干擾，A卯C812將無法與主機獲得同步。選擇這種方式，當(dāng)SS為低時，時鐘計數(shù)器才開始工作。每經(jīng)過8個時鐘同周期，ISPI將置位（如果中斷設(shè)置正確將產(chǎn)生中斷），并且移位寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到SPIDAT中。SS保持低電平不會使時鐘計數(shù)器復(fù)位。CPHA=0時，如果有其他脈沖的干擾，ADpC812也可與主機獲得同步。在這種方式下，從機通過SS信號獲得的，而不是通過時鐘信號獲得的。當(dāng)SS信號變低時，時鐘計數(shù)器復(fù)位，數(shù)據(jù)位在此后的每一個時鐘發(fā)送和接收；當(dāng)SS變高時，ISPI位置位（如果中斷設(shè)置正確，將產(chǎn)生中斷），并且移位寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到SPIDAT中。ISPI置位與數(shù)據(jù)的鎖存始終與時鐘計數(shù)值無關(guān)，因此當(dāng)SS的觸發(fā)在多于或少于8個時鐘時，在SS返回高電平瞬間，ADpC812將產(chǎn)生中斷，并且收到或發(fā)送的數(shù)據(jù)將不可靠。在這種方式下，SS不可始終置低，如果始終置低，那么從機將始終發(fā)送00。當(dāng)了與主機獲得同步，從機SS的下降沿必然由主機控制。當(dāng)SS變低時，從機產(chǎn)生外部中斷，中斷服務(wù)中SPE位由軟件清除，然后重新置位。SPE位的置位將使時鐘計數(shù)器復(fù)位到零。須注意的一點是這一中斷必須有比其他中斷更高的優(yōu)先級，才可使從機在主機第1個時鐘到來之間獲得同步。主機程序必須為從機中斷執(zhí)行中斷服務(wù)提供足夠的時間，以對SPE進(jìn)行操作。典型的操作是在清除SS和向SPIDAT中寫數(shù)據(jù)之間用12?15個NOP指令。ADpC812的串行外設(shè)接口（SPI）及其應(yīng)用4二、實際應(yīng)用圖3所示為1個主機和1個從機典型的電路連接圖。注意主、從機要有公共的地。根據(jù)圖3的連接情況及前面分析的主、從機工作工程，繪制流程圖如圖4所示。主機程序：SETEA；打開中斷允許SETIE2.0；打開SPI中斷MOVSPICON，#30H；送SPI控制字MASTER：CLRP3.5；置SS為低NOP；等待從機中斷執(zhí)行完畢NOPNOPNOPMOVSPIDAT，#DATA；向SPIDAT中寫數(shù)據(jù)LCALLDELAY；根據(jù)選擇的分頻比算出數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，確定DELAY子程序的延時時間（也可用中斷方式）SETBP3.5；將SS置高LJMPMASTER；送下一個數(shù)從機程序：ORG0013H；外部中斷INT0入口CLRSPE；SPE位清除SETBSPE；與主機時鐘獲得同步SETBP3.2；撤銷中斷RETI……SETBEA；打開中斷允許SETBIE2.0；打開SPI中斷SETBEX0；打開外部中斷MOVSPICON，#20H；送SPI控制字CLRP1.5；設(shè)置為數(shù)字輸入JBP3.1$；判斷P3.1是否為低CLRP3.2；產(chǎn)生INT0中斷CLALLDELAY；等待數(shù)據(jù)傳送完畢MOVA，SPIDAT；讀取數(shù)據(jù)ADpC812的串行外設(shè)接口（SPI）及其應(yīng)用5通過以上程序可以實現(xiàn)從主機向從機中發(fā)送數(shù)據(jù)的操作。在某些情況下，從微控制器所完成的功能較少，如果采用ADpC812會產(chǎn)生資源和經(jīng)濟(jì)的浪費，為此可以采用MCS-51系列的微控制器作為從機。這樣不僅實現(xiàn)了必要的功能又節(jié)約了資源。由于MCS-51沒有SPI串口，所以采用MCS-51作為從機需要模擬SPI的工作模式來完成數(shù)據(jù)的傳送。下面給出模擬SPI接收數(shù)據(jù)的電路連接圖（見圖5）和相關(guān)程序。ADpC812作為主機的程序與前面相同。8051模擬SPI串口接收數(shù)據(jù)程序如下：ORG0013HINT0：MOVR0，#8；