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ADμC812的串行外設(shè)接口（SPI）及其應(yīng)用
摘要：ADμC812是一種新型的集成12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它的串行外設(shè)接口SPI（serial peripheral interface）可進(jìn)行主機(jī)和多片從外圍器件的信息傳遞，即主機(jī)對(duì)從機(jī)的控制及從機(jī)向主機(jī)提供各種信息等，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的各種控制和操作。關(guān)鍵詞：ADμC812 串行通信 SPI串行端口
概述
ADμC812是一種全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它在單個(gè)芯片內(nèi)包含了高性能的自校準(zhǔn)多通道ADC、2個(gè)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，ADμC812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(shí)、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(gè)時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘作用；而在從模式下，每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時(shí)鐘信號(hào)之后才發(fā)送/接收。1個(gè)典型的SPI系統(tǒng)包括1個(gè)主MCU和1個(gè)或幾個(gè)從外圍器件。SPI接口可設(shè)置成在發(fā)送/接收1個(gè)字節(jié)的結(jié)束時(shí)產(chǎn)生1次中斷。
主時(shí)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(duì)時(shí)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(chǎng)合中。SPI提供了一種擴(kuò)展I/O功能的最簡(jiǎn)單的辦法，只需使用最少的微控制器引腳。
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一、工作原理
1.SPI的信號(hào)說(shuō)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：串行時(shí)鐘線（SCLOCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。
SCLOCK是主機(jī)的時(shí)鐘線，為MISO數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時(shí)鐘信號(hào)。每一位數(shù)據(jù)的傳輸都需要1次時(shí)鐘作用，因而發(fā)送或接收1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8個(gè)時(shí)鐘的作用。主機(jī)的時(shí)鐘是通過主機(jī)的硬件設(shè)置的，并和各個(gè)從機(jī)的SCLOCK相連。時(shí)鐘的波特率、極性、相位是由SPICON（SPI控制寄存器）來(lái)設(shè)置的。
MISO是主機(jī)的輸入/從機(jī)的輸出數(shù)據(jù)線。主機(jī)的MISO應(yīng)與從機(jī)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(jī)輸出/從機(jī)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(duì)應(yīng)的是P1.5，在初始化時(shí)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(jī)的通信。
2.SPI的寄存器
SPI有2個(gè)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(shí)鐘位。各位都是可尋址的，如表1及表2所列。
表1 SPICON寄存器
表2 SPICON各位功能
位 功 能 ISPI 中斷標(biāo)志位。當(dāng)發(fā)送和接收1字節(jié)數(shù)據(jù)完畢時(shí)自動(dòng)置全。該位也可以通過軟件控制。當(dāng)于中斷時(shí)，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(shí)，硬件自動(dòng)清除該位 WCOL 寫沖突錯(cuò)誤標(biāo)志位。
當(dāng)SPI正進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，若向SPIDAT中寫數(shù)據(jù)將產(chǎn)生寫沖突錯(cuò)誤，寫入的數(shù)據(jù)將無(wú)效，原有交換繼續(xù)執(zhí)行。必須由軟件清除 SPE SPI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(shí)鐘極性選擇位。
CPOL=0，主機(jī)時(shí)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(shí)，時(shí)鐘處于高電平空閑狀態(tài)；
CPOL=1，主機(jī)時(shí)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(shí)時(shí)鐘處于低電平空閑狀態(tài)（見圖1） CPHA 時(shí)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(shí)鐘第1個(gè)前沿讀入；之后下一數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘后沿出現(xiàn)，在下一個(gè)前沿讀入；直到8位數(shù)據(jù)讀完。
CPHA=1，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘前沿出現(xiàn)，在同一時(shí)鐘周期的后沿讀入（見圖1）。
讀位還可控制從機(jī)的同步方式 SPR1
SPR0 SPI波行選擇位。
SPR1 SPR0 波特率
0 0 fosc/4
0 1 fosc/8
1 0 fosc/32
1 1 fosc/64
注：從方式下這兩位都清零
另一個(gè)SPI寄存器是SPIDAT。對(duì)這一寄存器的寫操作會(huì)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(shí)沒有其他數(shù)據(jù)在傳遞，SPIDAT中的數(shù)據(jù)將自動(dòng)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(shí)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(hào)，SS信號(hào)不是必需的。因?yàn)镾PI串口只能有一片主機(jī)，因而不存在主機(jī)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(shí)鐘信號(hào)的1次作用對(duì)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(jī)中數(shù)據(jù)從移位寄存器中自左向右發(fā)出送到從機(jī)（MOSI），同時(shí)從機(jī)中的數(shù)據(jù)自右向左發(fā)到主機(jī)（MISO），經(jīng)過8位時(shí)鐘周期完成1個(gè)字節(jié)的發(fā)送。輸入字節(jié)保留在移位寄存器中，此時(shí)ISPI自動(dòng)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(duì)SPIDAT的讀操作將把數(shù)據(jù)讀出。
將主機(jī)的SS和從機(jī)SS的相連的方式?jīng)]有意義，因?yàn)镻1.5只可作輸入，所以主機(jī)的SS不能為從機(jī)的SS提供選通信號(hào)。為了解決這一問題，可利用主機(jī)其他輸入/輸出口線與從機(jī)的SS相連，實(shí)現(xiàn)選通控制，可以有多根口線控制多個(gè)從機(jī)。如果要讀取主機(jī)SS的狀態(tài)，需要將主機(jī)的SS與主機(jī)上另一根輸入/輸出口線相連，通過對(duì)該口線讀操作獲取主機(jī)SS的狀態(tài)。
4.從模式
發(fā)送和接收可以同時(shí)工作在從模式下。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(hào)作用下進(jìn)行，并且SS信號(hào)必須有效。SS在初始化之后，要設(shè)置為數(shù)字輸入（CLR P1.5），當(dāng)SS信號(hào)無(wú)效時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送無(wú)法進(jìn)行并且輸入的數(shù)據(jù)視為無(wú)效。這是因?yàn)檩斎氲臅r(shí)鐘信號(hào)是與SCLOCK的邏輯與操作，而SCLOCK信號(hào)是SS的反轉(zhuǎn)。這樣當(dāng)SS為高時(shí)，就沒有時(shí)鐘信號(hào)輸入。
當(dāng)CPHA=1時(shí)，SS始終置地；當(dāng)CPHA=0時(shí)，在從機(jī)接收到第1個(gè)時(shí)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(hào)也須通過連接其他口線來(lái)讀取狀態(tài)。
5.從模式下的時(shí)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(hào)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(jī)時(shí)就會(huì)誤認(rèn)為收到了時(shí)鐘信號(hào)，將導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這樣依靠同步結(jié)構(gòu)的SPI將失去同步的意義。
CPAH=1時(shí)，如果有其他脈沖的干擾，ADμC812將無(wú)法與主機(jī)獲得同步。選擇這種方式，當(dāng)SS為低時(shí)，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器才開始工作。每經(jīng)過8個(gè)時(shí)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(huì)使時(shí)鐘計(jì)數(shù)器復(fù)位。
CPHA=0時(shí)，如果有其他脈沖的干擾，ADμC812也可與主機(jī)獲得同步。在這種方式下，從機(jī)通過SS信號(hào)獲得的，而不是通過時(shí)鐘信號(hào)獲得的。當(dāng)SS信號(hào)變低時(shí)，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器復(fù)位，數(shù)據(jù)位在此后的每一個(gè)時(shí)鐘發(fā)送和接收；當(dāng)SS變高時(shí)，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(shí)鐘計(jì)數(shù)值無(wú)關(guān)，因此當(dāng)SS的觸發(fā)在多于或少于8個(gè)時(shí)鐘時(shí)，在SS返回高電平瞬間，ADμC812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(jī)將始終發(fā)送00。
當(dāng)了與主機(jī)獲得同步，從機(jī)SS的下降沿必然由主機(jī)控制。當(dāng)SS變低時(shí)，從機(jī)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(shí)鐘計(jì)數(shù)器復(fù)位到零。須注意的一點(diǎn)是這一中斷必須有比其他中斷更高的優(yōu)先級(jí)，才可使從機(jī)在主機(jī)第1個(gè)時(shí)鐘到來(lái)之間獲得同步。主機(jī)程序必須為從機(jī)中斷執(zhí)行中斷服務(wù)提供足夠的時(shí)間，以對(duì)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(gè)NOP指令。
二、實(shí)際應(yīng)用
圖3所示為1個(gè)主機(jī)和1個(gè)從機(jī)典型的電路連接圖。注意主、從機(jī)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(jī)工作工程，繪制流程圖如圖4所示。
主機(jī)程序：
SET EA ；打開中斷允許
SET IE2.0 ；打開SPI中斷
MOV SPICON，#30H ；送SPI控制字
MASTER：CLR P3.5 ；置SS為低
NOP ；等待從機(jī)中斷執(zhí)行完畢
NOP
NOP
NOP
MOV SPIDAT，#DATA；向SPIDAT中寫數(shù)據(jù)
LCALL DELAY ；根據(jù)選擇的分頻比算出數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，確定DELAY子程序的延時(shí)時(shí)間（也可用中斷方式）
SETB P3.5 ；將SS置高
LJMP MASTER ；送下一個(gè)數(shù)
從機(jī)程序：
ORG 0013H ；外部中斷INT0入口
CLR SPE ；SPE位清除
SETB SPE ；與主機(jī)時(shí)鐘獲得同步
SETB P3.2 ；撤銷中斷
RETI
……
SETB EA ；打開中斷允許
SETB IE2.0 ；打開SPI中斷
SETB EX0 ；打開外部中斷
MOV SPICON，#20H ；送SPI控制字
CLR P1.5 ；設(shè)置為數(shù)字輸入
JB P3.1$ ；判斷P3.1是否為低
CLR P3.2 ；產(chǎn)生INT0中斷
CLALL DELAY ；等待數(shù)據(jù)傳送完畢
MOV A，SPIDAT ；讀取數(shù)據(jù)
通過以上程序可以實(shí)現(xiàn)從主機(jī)向從機(jī)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ADμC812會(huì)產(chǎn)生資源和經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)，為此可以采用MCS-51系列的微控制器作為從機(jī)。這樣不僅實(shí)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(jī)需要模擬SPI的工作模式來(lái)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。
ADμC812作為主機(jī)的程序與前面相同。8051模擬SPI串口接收數(shù)據(jù)程序如下：
ORG 0013H
INT0：MOV R0，#8 ；移位計(jì)數(shù)值
INT0'：JB P3.4，INT0 ；輸入時(shí)鐘位高電平時(shí)等待
MOV C，P3.3 ；輸入時(shí)鐘下降沿接收數(shù)據(jù)
RLC A ；將數(shù)據(jù)存入A中
DJNZ R0，INT0' ；8位是否傳送完
SETB P3. ；8位數(shù)據(jù)接收完畢，關(guān)中斷
MOV @R1，#DATA ；將接收數(shù)據(jù)存到內(nèi)部RAM
INC R1 ；指向下一個(gè)內(nèi)部RAM單元
CJNE R1，#00H，REC
MOV R1，#80H
RETI
……
SETB EA
SETB EX0
MOV R1，#80H ；內(nèi)部存儲(chǔ)器80H～FFH單元存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)
……
總結(jié)
通過對(duì)SPI串口原理的介紹，SPI串行接口可以在短距離內(nèi)進(jìn)行主機(jī)與從機(jī)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(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)及從外圍設(shè)備的通信提供了一種簡(jiǎn)單、易行的方案。
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