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)可進行主機和多片從外圍器件的信息傳遞，即主機對從機的控制及從機向主機提供各種信息等，從而實現(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)。它在單個芯片內(nèi)包含了高性能的自校準多通道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。

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)準外圍器件直接接口：

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。各位都是可尋址的，如表1及表2所列。 表1 SPICON寄存器 ISPI WCOL SPE SPIM CPOL CPHA SPR1 SPR0 FFH 0 FEH 0 FDH 0 FCH 0 FBH 0 FAH 0 F9H 0 F8H 0 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 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 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 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。

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(CLR P1.5)，當(dāng)SS信號無效時，數(shù)據(jù)的發(fā)送無法進行并且輸入的數(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，ADμC812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，ADμC812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，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。

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： 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間，確定DELAY子程序的延時時間(也可用中斷方式) SETB P3.5 ;將SS置高 LJMP MASTER ;送下一個數(shù) 從機程序： ORG 0013H ;外部中斷INT0入口 CLR SPE ;SPE位清除 SETB SPE ;與主機時鐘獲得同步 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ADμC812會產(chǎn)生資源和經(jīng)濟的浪費，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。 ADμC812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： ORG 0013H INT0：MOV R0，#8 ;移位計數(shù)值 INT0"：JB P3.4，INT0 ;輸入時鐘位高電平時等待 MOV C，P3.3 ;輸入時鐘下降沿接收數(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)部存儲器80H～FFH單元存儲接收的數(shù)據(jù) …… 總結(jié) 通過對SPI串口原理的介紹，SPI串行接口可以在短距離內(nèi)進行主機與從機的數(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。