SPI介面單線應用

摘要:為解決I/O口數據傳輸的速率問題，提出SPI介面的單線應用方案，分析該方法的可行性，並在單片機ADuC812與射頻無線通信模塊nRF2401間的介面設計中得到了應用，驗證該方案的有效性。該方案具有電路設計簡單、數據傳輸速率高等優點。

1 SPI通信
SPI信號線:一般的SPI介面使用4條信號線與外圍設備介面，其具體功能如下：

• SCLOCK： 主機的時鐘線，為數據的發送和接收提供同步時鐘信號。每一位數據的傳輸都需要1次時鐘作用， 因而發送或接收1個位元組的數據都需要8個時鐘作用。主機的時鐘可以通過固件進行設置，並和從機的時鐘線相連。
• MISO：主機輸入/從機輸出數據線。主機的MOSO應與從機的發送數據端相連，進行高位在前的數據交換。
• SS：低電平有效的從機選擇線。當該線置低時，才能跟從機進行通信。

SPI工作模式:SPI的工作模式分為：主模式和從模式。

• 主模式的特點是不論發送還是接收始終有SCLOCK信號，SS信號不是必需的， 由於SPI只能有一個主機， 因而不存在主機的選擇問題。
• 從模式的特點是無論發送還是接收必須在時鐘信號SCLOCK的作用下才能進行，並且SS信號必須有效。

    不論是在主模式下還是在從模式下，都要在時鐘極性和時鐘相位的配合下才能有效的完成一次數據傳輸。

2 SPI介面的單線應用
    在標準的SPI介面間進行通信時，SPI匯流排的四條信號線中： 主機SCLOCK與從機SCLOCK相連； 主機MISO與從機MOSI相連；主機MOSI
與從機MISO 相連； 主機控制信號線與從機的SS相連。在SPI介面與非標準介面進行通信時，例如與有的串列RAM 介面，由於雙向I/O數據線只有一條，時鐘和片選信號線都有，那麼如何利用SPI的高速特性進行數據的讀出和寫入呢?
    在這裡提出SPI的單線應用方案，其如圖1所示。主機的時鐘信號SCLOCK 和片選信號SS與從機的對應信號線相連， 不同的是主機的MOSI和MISO信號線分別經過合適的電阻與從機的I/O信號線相連。當主機給從機發送數據時，在時鐘信號的作用下，數據從MOSI口線經電阻1到從機的I/O 口線；當主機接收數據時，也需要在時鐘信號的作用下，數據從從機的I/O口線經電阻2到主機的MISO口線。該方案中MOSI與MISO連在一起， 由於加了適當的電阻，所以不違反電路設計原則，但如果電阻大小不當會對信號的特性帶來影響 。
 
圖1 SPI單線應用方案

3 SPI介面的單線應用舉例
    本例是作者設計的單片機，ADuC812的SPI匯流排與射頻無線通信模塊nRF2401間的通信介面，由於nRF2401隻支持I/O數據傳輸方式，但是為了提高無線通信的數據速率，作者採用單線方式實現了SPI與nRF2401的通信。

電路設計
    ADuC812的SPI與nRF2401的連接原理如圖2所示。其中ADuC812作為主機，nRF2401作為從機，PWR、CE、CS是nRF2401的工作模式選擇信號，他們共同完成從機的片選任務，相當於SS信號。CLK1是ADuC812串列時鐘信號。根據信號阻抗匹配原則，通信中選用兩個6K 的電阻。ADuC812單片機的SPI介面由SPICON (SPI控制寄存器)、SPIDAT (SPI數據寄存器)來控制， 通過設定SPICON 寄存器的各位實現SPI的各種工作模式。
 
圖2 ADuC812的SPI與nRF2401的連接原理
    控制寄存器SPICON中從高到低各位說明如下：

• ISPI： 中斷標誌位。當發送或接收1位元組數據完畢時自動置1．當執行中斷服務程序時，硬體自動清除該位。該位也可以通過軟體控制。
• WCOL：寫衝突錯誤標誌位。
• SPE：SPI使能位。若SPE=0，則I2C串列口工作；若SPE=1，則SPI串列口工作。
• SPIM：主模式選擇位。若SPIM=0，則SPI工作於從模式；若SPIM=1，則SPI工作於主模式。
• CPOL：時鐘極性選擇位。CPOL=0，在主機時鐘下降沿時讀取數據，各數據位元組之間傳輸時，時鐘處於高電平空閑狀態；CPOL=1，在主機時鐘上升沿時讀取數據，各數據位元組之間傳輸時，時鐘處於低電平空閑狀態。
• CPHA；時鐘相位選擇位。CPHA=0，傳輸數據的最高位在SS的下降沿出現，在時鐘第1個前沿讀入，之後的下一個數據位在時鐘后沿出現，
  在下一個前沿讀入，直到8位數據讀完；CPHA=1，傳輸數據在時鐘前沿出現，在同一時鐘周期的后沿讀入。
• SPR1、SPR0：SPI波特率選擇位。

    介面程序設計 固件程序主要包括：SPI口初始化程序INITSPI，送數據程序SENDDATA，接收數據程RECEIVEDATA。
    在SPI初始化程序中，控制寄存器SPICON設置為33H， 即CPOL=0，CPHA=0， 當設置CPOL= 1，CPHA=1時， 由於干擾脈衝的存在，
ADuC812與NRF2401不能很好的同步。
    在發送數據子程序中，向數據寄存器SPIDAT寫數據，如產生中斷標誌，說明數據傳輸完畢，則可以發送下一個數據。
    在接收子程序中， 由於nRF2401送數據的時鐘是由ADuC812的SCLOCK 產生的， 所以執行接收數據指令MOVA，SPIDAT時先要對數據寄存器SPIDAT 寫數據0，也就是執行指令MOVA,SPIDAT，其目的是為了產生接收數據時的時鐘信號， 當單片機向SPIDAT 寫數據0時，nRF2401通過DATA 口向單片機送數據，改寫SPIDAT 的內容，這就是所接收的數據。

SPI單線方案在實際應用應注意以下問題：
(1)時鐘相位與時鐘極性的設置。其設置要跟從機的數據讀寫時序相一致， 在一致時也要注意干擾問題。
(2)所加電阻值的大小。阻值的大小關係到信號傳輸的阻抗匹配問題，同時也影響數據傳輸的速率，所以在選用電阻時一般取幾K 的電阻。