SPI匯流排在51單片機系統中的實現

    一個完整的單片機系統，通常包括鍵盤輸入、顯示輸出、列印輸出、數據採集等許多功能模塊。這些功能模塊一般是通過I/O埠實現與單片機的數據交換，但是單片機的I/O埠有限，且一般用來處理數字信號，從而產生了匯流排式傳輸模式。
    現在大多數單片機都是傳統的三匯流排結構，即地址，數據，控制三匯流排。由於方便控制，三匯流排得到廣泛的應用。但是作為并行匯流排，它也有一定的局限性。不適合遠距離的傳輸。與I/O口的數目存在矛盾。隨著電子技術的進步，發展出很多新的匯流排介面，如USB、I2C、CAN、SPI、1-Wire等。這些匯流排的特點都是串列介面，只需要幾根甚至一根線就可以實現數據的傳輸。本文通過對支持SPI匯流排的AD器件MAX189性能分析，簡要介紹了SPI匯流排在單片機系統中如何應用，並利用其製作一款簡易的電壓表。

一、SPI匯流排簡介
    SPI(Serial Peripheral Interface)是MOTOROLA公司提出的同步串列匯流排方式。因其硬體功能強大而被廣泛應用。在單片機組成的智能儀器和測控系統中。如果對速度要求不高，採用SPI匯流排模式是個不錯的選擇。它可以節省I/O埠，提高外設的數目和系統的性能。標準SPI匯流排由四根線組成：串列時鐘線(SCK)、主機輸入/從機輸出線(MISO)。主機輸出/從機輸入線(MOSI)和片選信號(CS)。有的SPI介面晶元帶有中斷信號線或沒有MOSI。圖1給出了SPI的典型時序圖。
 
    SPI主要性能如下：

• 全雙工，三線同步傳輸
• 1.05Mbit/s的最大主機位速率
• 四種可編程主機位速率
• 可編程串列時鐘極性與相位
• 發送結束中斷標誌
• 寫衝突保護
• 匯流排競爭保護

二、MAX189晶元
    MAX189是美國美信公司設計的一種12位串列A/D轉換器。其內部集成了大帶寬跟蹤/保持電路和串列介面。轉換速率高，功耗低，精度高。並且有SPI、Microwire和TMS320兼容的4線串列介面，與微處理器介面。只需要很少的口線，很節約資源。
    MAX189的特點:

• 三線高速串列介面，12位解析度
• 8.5 us逐次逼近型ADC
• 單一5V工作電壓，工作電流1.5mA。關斷電流2uA
• 0-5v模擬輸入電壓範圍
• 使用片外時鐘源
• 外置參考電壓
•  內部跟蹤/保持電路，75ksps採樣速率
• 1/2LSB整體非線性度

    MAX189的時序如圖2，表1給出了MAX189引腳功能。
 

    該簡易電壓表電路採用不帶SPI介面的AT89C2051單片機，其指令系統與51系列完全兼容。可以通過軟體模擬SPI時序，包括串列時鐘。數據輸入和輸出。來實現對A/D器件MAX189的操作。所測電壓經過單片機的處理，採用三個七段數碼管顯示。採用SN74LS164擴展I/O口。MAX189的2腳為待測模擬電壓輸入端。圖3是簡易電壓表的原理圖，其中A為數碼管顯示電路，B為A/D轉換部分電路。
 
    MAX189可以工作在兩種模式下。即普通狀態和關斷狀態。如果將SHDN置低電平。器件處於美斷狀態，電流小於10 uA。當把SHDN置高電平或懸空。器件就可以被操作。此時，CS在時鐘下降沿啟動轉換.在時鐘SCLK的每一個上升沿把一個最高位為“1”的控制宇節的各位送入輸入移位寄存器.並啟動串列時鐘.開始將輸入電壓值逐次逼近轉換。它用輸入跟蹤/保持(T/H)和12位逐次逼近寄存器(SAR)構成的電路系統將模擬信號轉換成12位數宇信號輸出。T/H電路不需要外部保持電容。輸出數據按照高位在前.低位在後的順序。在12個SCLK的每一個下降沿決定逐次逼近的各位並將數據送到Dout端。每一位轉換結束后Dout由低電平變為高電平。(轉換過程中不能對SCLK操作)按照時序要求。每輸入一個(移位)脈衝。下降沿取出一位數據。單片機讀取並做處理。讀出12位數據后，可以開始下一次轉換。
    AT89C2051的串列埠處於模式0。數據的發送和接收都是通過RXD引腳(這裡只用來發送數據).TXD則負責送出移位脈衝。其數據位由LSB開始發送/接收8個位。波特率固定為fosc/12。SN74LS164負責接收串列口發送的數據。在傳輸8個位后。其將數據并行送出驅動數碼管.顯示所測電壓值。
    該電壓表小巧，方便，精度高。程序運行比較穩定。誤差在0.01V數量級。(感謝在設計過程中司佑全老師的給予的悉心指導)

源程序
    該程序的作用是是該電路能測量0-5V的電壓.並用數碼管實時顯示。
;佔用p1.5,p1.6,p1.7作為模擬SPI時序與MAX189連接。
sclk equ P1.5;定義緩衝區
cs equ p1.6;
dout equ p1.7;
buf equ 50h;
org 0000h
ajmp begin
begin:
acall init;初始化片內資源
acall load_data;初始化緩衝區
acall adc_init;對AD的操作
acall con;數據處理子程序
acall display;顯示子程序
acall load_data
ajmp begin
init:mov 36h,#00000000b;載入初值,取高8位數據
mov 37h,#00000000b
mov r1,#8
mov r3,柏
mov scon,#00h
mov ie,#82h
setb ti
ret
adc_init:acall init_ad;AD的控制
acall wait
acall read_ad
ret
init_ad: ;啟動AD轉換
setb cs
clr cs
ret
wait: ;等待AD轉換的結束
jnb dout,wait;
ret
fasong:jnb ti,$;發送數據
clr ti
mov sbuf,a
ret
read_ad:
Ioop1:
setb sclk
clr sclk
mov C,dout
mov A,36H;
rlc A
mov 36H,A
djnz r1,loop1;讀高8位,存放在36h
loop11:
setb sclk
clr sclk
mov C,dout
mov a,37H;
RLC a
MOV 37H,a
DJNZ R3,loopll;
mov a,36h
setb cs
ret
load_data:mov buf,0fch;掃描顯示器,顯示數據
mov buf+1,#0fch
mov buf+2,#0h
mov buf+3,#0h
ret
con:mov B,#5
div AB
mov B,#10
div AB
mov DPTR,#table1
movc A,@A+DPTR
mov buf+1,A
mov A,B
mov DPTR,#TABLE
movc A,@A+DPTR
mov buf,A
ret
display:mov r0,#buf;顯示
lop:mov a,@r0
acall sent
inc r0
cjne r0,#buf+8,lop
acall delay
ret
sent:jnb li,$發送數據
clr ti
mov sbuf,a
ret
delay:mov r7,#230;
d1:mov r6,#13O
d2:djnz r6,d2
djnz r7,d1
ret
table1:db 0fdh,61h,0dbh,0f3h,067h
db 0b7h,0bfh,0e1h,0ffh,0e7h;帶小數點的八段顯示數據(0--9)
table1:
db 0fch;0
db 060h;1
db 0dah;2
db 0f2h;3
db 066h;4
db 0b6h;5
db 0beh;6
db 0e0h;7
db 0feh;8
db 0f6h;9 ;不帶小數點的八段顯示數據
end