《8051單片機原理及應用》 課件 第八章 SPI總線開發(fā)

網(wǎng)絡空間安全學院網(wǎng)絡安全基礎技術應用第八章SPI總線開發(fā)目錄CONTENT8.1.SPI總線的基本概念8.2.GPIO模擬SPI總線的開發(fā)技術8.3.STC單片機SPI功能模塊開發(fā)技術8.1.SPI總線的基本概念SPI接口是SerialPeripheralInterface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。SPI接口是Motorola公司首先提出的全雙工同步串行接口通信協(xié)議，采用主從模式架構，支持多從設備應用，一般只支持單主設備。SPI總線一般有4根信號線：MOSI,MISO,SCK,SS。在使用的時候，時鐘由主設備控制，數(shù)據(jù)在時鐘脈沖下按位傳輸，高位在前低位在后，SPI接口有2根單向數(shù)據(jù)線，可以實現(xiàn)全雙工通信，數(shù)據(jù)速率可達幾Mbps。8.1.1.SPI總線結構SPI的四根總線分別是串行數(shù)據(jù)輸出線、輸入線、時鐘線、設備選擇線。MOSI:MasterOutputSlaveInput主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入。MISO:MasterInputSlaveOutput主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出。SCK:時鐘信號，由主設備控制發(fā)出。/SS:從設備選擇信號，由主設備控制。有些器件也用“CS”表示。8.1.1.SPI總線結構圖8.1-1展示了主機和從機之間的連接關系。主機（也稱主設備）和從機（也稱從設備）的MOSI、MISO、SCK管腳互相連接，主設備的SS接VCC，從設備的SS接地。因為只有一個從設備，所以從設備的SS接地，意味著從設備始終都處于通信狀態(tài)。因此在只有一個從設備的情況下會省略SS，SPI總線變成三線制。SCK是時鐘脈沖，由主機控制，沿著SCK的上升沿或者下降沿，MOSI、MISO的數(shù)據(jù)串行輸出，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖8.1-1主機和從機的電路連接8.1.2.SPI總線的傳輸模式根據(jù)時鐘極性(CPOL)及相位(CPHA)不同可以組合成4種工作模式：SPI0，SPI1，SP2，SP3。其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式。（1）SPI0：CPOL=0,CPHA=0（2）SPI1：CPOL=0,CPHA=1（3）SPI2：CPOL=1,CPHA=0（4）SPI3：CPOL=1,CPHA=1時鐘極性(CPOL)定義了時鐘空閑狀態(tài)電平：CPOL=0：時鐘空閑狀態(tài)為低電平。CPOL=1：時鐘空閑狀態(tài)為高電平。時鐘相位(CPHA)定義數(shù)據(jù)的采樣時間：CPHA=0：在時鐘的第一個跳變沿(上升沿或下降沿)進行數(shù)據(jù)采樣。CPHA=1：在時鐘的第二個跳變沿(上升沿或下降沿)進行數(shù)據(jù)采樣。8.1.2.SPI總線的傳輸模式SPI接口有四種不同的數(shù)據(jù)傳輸時序，取決于CPOL和CPHA這兩位的組合。圖8.1-2中表現(xiàn)了這四種時序，從圖中也可以看出CPHA=0與CHPA=1，采樣和輸出先后順序正好相反。。圖8.1-2SPI總線的工作模式8.2.GPIO模擬SPI總線的開發(fā)技術SPI總線把接收和發(fā)送分成了兩根線，通信速度快，和I2C總線一樣，通常用于芯片間通信。很多芯片都具有SPI接口，當MCU沒有SPI功能模塊時，利用通用輸入輸出管腳模擬SPI總線協(xié)議。8.2.1.GPIO模擬SPI總線的驅(qū)動函數(shù)對照圖8.1-2時序圖，書寫SPI總線單字節(jié)讀寫函數(shù)，讀寫的時候低位在前，高位在后。以SPI0工作模式為例，SCK默認狀態(tài)是低電平，在上升沿采樣，在下降沿輸出，SPI是全雙工通信，所以發(fā)送和接收是同時進行的。（1）SPI0模式下主機的讀寫函數(shù)：主機在MOSI總線上寫數(shù)據(jù)，在MISO總線上讀數(shù)據(jù)。unsignedcharSPIMaster_RWByte(unsignedchardata){unsignedchari;for(i=0;i<8;i++){sck=0;MOSI=data&0x01;//數(shù)據(jù)的低位輸出到MOSIdata>>=1;//數(shù)據(jù)右移，高位移到低位8.2.1.GPIO模擬SPI總線的驅(qū)動函數(shù)sck=1;//拉高SCKdata|=(MISO<<8);//讀MISO到data最高位，補充data低位空缺。sck=0;}return(data);//返回讀出的字節(jié)數(shù)據(jù)}（2）SPI0模式下從機的讀寫函數(shù)：從機在MOSI總線讀數(shù)據(jù)，在MISO總線寫數(shù)據(jù)unsignedcharSPISlave_RWByte(unsignedchardata){unsignedchari;for(i=0;i<8;i++){8.2.1.GPIO模擬SPI總線的驅(qū)動函數(shù)if(sck==0){ MISO=data&0x01;//從機數(shù)據(jù)的低位輸出到MISO}while(sck==0);data<<=1;If(sck==1){data|=(MOSI<<8);//從機讀MOSI到data最高位，補充data高位空缺。while(sck==1);}}return(data);}8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片DS1302是DALLAS公司推出的日歷芯片，內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，利用簡化的SPI總線與單片機通信。DS1302提供秒、分、時、日、周、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年自動調(diào)整，時鐘可以選擇12小時制或24小時制。DS302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日期和時間相關，其余都是控制寄存器。要使用DS1302，首先將日期和時間等初始化數(shù)據(jù)寫入DS1302的寄存器，設置時間格式，然后開啟DS1302計時。當DS1302初始化設置完并開啟計時后，單片機只要讀出DS1302里的日期或時間即可。圖8.2-1是DS1302的DIP封裝圖和管腳說明，圖8.2-2是芯片工作電路圖，圖8.2-3是DS1302應用電路。圖8.2-1中的I/O數(shù)據(jù)線是雙線數(shù)據(jù)線，它將SPI總線的MOSI和MISO兩根線合并成一根線，收發(fā)不能同時進行，是半雙工通信。8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片圖8.2-1DS1302芯片管腳圖圖8.2-3DS1302應用電路圖8.2-2芯片工作電路圖8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片圖8.2-3中SPI的三根線分別和單片機P17、P23、P13連接。DS1302采用雙電源供電模式，可以由VCC電源供電（連接VCC2管腳），也可以由電池供電（連接VCC2管腳），在VCC主電源失效時由電池保持時間和日期數(shù)據(jù)。RST是芯片復位和片選管腳，低電平時，芯片復位，讀寫無效；高電平時，片選有效，開始數(shù)據(jù)傳輸。SCK管腳為芯片提供時鐘脈沖。I/O是數(shù)據(jù)輸入輸出管腳，用于傳輸及接收數(shù)據(jù)。芯片連接32.768KHz外部晶振。表8.2-1列出了DS1302的寄存器。ReadWritebit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0說明81h80hCH10SecondsSeconds秒：00-59，CH=1：時鐘暫停83h82h

10MinutesMinutes分：00-5985h84h12/24010Hour時：00-23/01-12AM/PM87h86h0010DateDate日：01-28/29/30/3189h88h00010MonthMonth月：01-128Bh8Ah00000Day星期：1-78Dh8Ch10YearYear年：00-998Fh8EhWP0000000控制寄存器，WP=1：寫保護，不允許器件寫入91h90hTCSDSRS涓流充電選擇表8.2-1DS1302和日期時間有關的寄存器列表8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片訪問DS1302，首先要說明訪問的存儲單元地址，然后在總線上傳送數(shù)據(jù)。因此一個完整的讀或?qū)懼辽儆?個字節(jié)構成。1.讀時序：圖8.2-4是讀時序，對應SPI0工作模式，第1個字節(jié)寫地址，CPU控制I/O線；第2個字節(jié)讀數(shù)據(jù)，由DS1302發(fā)送數(shù)據(jù)到I/O線。圖8.2-4單個字節(jié)讀時序8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片2.寫時序：圖8.2-5是寫時序，對應SPI0工作模式，2個字節(jié)都是CPU控制I/O線。圖8.2-5單個字節(jié)寫時序8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片2.寫時序：圖8.2-5是寫時序，對應SPI0工作模式，2個字節(jié)都是CPU控制I/O線。圖8.2-5單個字節(jié)寫時序8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片DS1302的讀寫時序是三線半雙工通信，一個時鐘周期內(nèi)只有一個方向的數(shù)據(jù)，主機單個字節(jié)的讀寫函數(shù)如下所示。/*****主機單個字節(jié)的寫過程*****/voidwrite_Ds1302_Byte(unsignedchardata){ unsignedchari; for(i=0;i<8;i++) { SCK=0; SDA=data&0x01;//數(shù)據(jù)低位輸出到IO總線上 data>>=1;//數(shù)據(jù)右移，高位移到低位 SCK=1;

8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片 }}/*****主機單個字節(jié)的讀過程*****/unsignedcharread_Ds1302_Byte(){ unsignedchari,data; for(i=0;i<8;i++) { SCK=0; data>>=1; data|=(SDA)<<8; //讀SDA數(shù)據(jù)到data最高位 SCK=1; 8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片 }return(data);}

/*****圖8.2-4時序DS1302完整的讀過程***/unsignedcharRead_Ds1302(unsignedcharaddress){ unsignedchari,temp=0x00; Write_Ds1302_Byte(address);//寫地址return(read_Ds1302_Byte());}/*****圖8.2-5時序DS1302完整的寫過程***/ 8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片voidWrite_Ds1302(unsignedcharaddress,unsignedchardata){ Write_Ds1302_Byte(address); //寫地址 Write_Ds1302_Byte(data); //寫數(shù)據(jù)}基于GPIO模擬SPI總線，讓單片機與DS1302日歷芯片交換數(shù)據(jù)，數(shù)碼管分兩屏顯示日期和時間，圖8.2-6是日歷顯示界面，二維碼8.2-1展示了開發(fā)示范過程。 圖8.2-6日歷顯示界面8.2.2.GPIO模擬SPI總線訪問DS1302日歷芯片二維碼8.2-1GPIO模擬SPI總線讀日歷芯片的程序?qū)崿F(xiàn)8.3.STC單片機SPI功能模塊開發(fā)技術STC單片機從15系列開始就提供SPI總線功能，與SPI相關的寄存器有SPI狀態(tài)寄存器、SPI控制寄存器、SPI數(shù)據(jù)寄存器，通過這三個寄存器就可以完成SPI數(shù)據(jù)的傳輸。8.3.1.SPI管腳切換對于SPI總線端口分配，STC15x、STC8x、STC32x系列單片機提供了切換模式，可將SS、MOSI、MISO、SCLK切換到不同的I/O口上，以方便用戶將靈活應用管腳。（1）P_SW：SPI功能腳切換寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0P_SW1A2HS1_S[1:0]--SPI_S[1:0]0-SPI_S[1:0]:SPI功能腳選擇位，STC32G12K無P1.2管腳用P5.4代替。SPI_S[1:0]SSMOSIMISOSCLK00P1.2/P5.4P1.3P1.4P1.501P2.2P2.3P2.4P2.510P5.4P4.0P4.1P4.311P3.5P3.4P3.3P3.28.3.2.SPI相關寄存器STC系列單片機集成的SPI接口提供了兩種模式：主模式和從模式。1.SPI狀態(tài)寄存器：寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0SPSTATCDHSPIFWCOL------SPIF：SPI中斷標志位。當發(fā)送/接收完成1字節(jié)的數(shù)據(jù)后，硬件自動將此位置1，并向CPU提出中斷請求。此標志位必須用戶通過軟件方式向此位寫1進行清零。WCOL：SPI寫沖突標志位。當SPI在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中寫SPDAT寄存器時，硬件將此位置1.此標志位必須用戶通過軟件方式向此位寫1進行清零。8.3.2.SPI相關寄存器2.SPI控制寄存器寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0SPCTLCEHSSIGSPENDORDMSTRCPOLCPHASPR[1:0]SPCTLSSIG：SS管腳功能控制位。0：SS管腳確定器件是主機還是從機；1：忽略SS管腳功能，使用MSTR確定器件是主機還是從機。SPEN：SPI使能控制位。0：關閉SPI功能；1：使能SPI功能。DORD：SPI數(shù)據(jù)位發(fā)送/接收的順序。0：先發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的高位（MSB）；1：先發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的低位（LSB）。MSTR：器件主/從模式選擇位。設置主機模式：若SSIG=0，需SS管腳為高電平且MSTR為1；若SSIG=1，只需MSTR為1.8.3.2.SPI相關寄存器設置從機模式：若SSIG=0，需SS管腳為低電平（與MSTR位無關）；若SSIG=1，MSTR需為0。CPOL：SPI時鐘相位控制。0：SCLK空閑時為低電平，SCLK的前時鐘沿為上升沿，后時鐘沿為下降沿；1：SCLK空閑時為高電平，SCLK的前時鐘沿為下降沿，后時鐘沿為上升沿。CPHA：SPI時鐘相位控制。0：數(shù)據(jù)SS管腳為低電平驅(qū)動第一位數(shù)據(jù)并在SCLK的后時鐘沿改變數(shù)據(jù)，前時鐘沿采樣數(shù)據(jù)（SSIG必須為0）；1：數(shù)據(jù)在SCLK的前時鐘沿驅(qū)動，后時鐘沿采樣。8.3.2.SPI相關寄存器SPR[1:0]：SPI時鐘頻率選擇，可選擇四種頻率，單片機系統(tǒng)時鐘的分頻系數(shù)分別是1/4、1/8、1/16、1/32。SPR[1:0]SCLK頻率00SYSclk/401SYSclk/8