淺談ARM與TLV5637的模擬SPI接口的設(shè)計

引 言

SPI 是英文Service Provider Interface的縮寫。中文意思是服務(wù)提供商接口。滿足某種服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商提供的符合該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，SPI應(yīng)該和該服務(wù)的API標(biāo)準(zhǔn)是兼容的，應(yīng)用程序一般應(yīng)該是基于API編寫，除非是SPI中包含API中沒有提供的功能而又必須使用。SPI的處理流程大同小異，以目前使用最多的SPI-4為例來說明SPI的原理。它在發(fā)送接口和接收接口都有各自的數(shù)據(jù)通道和流控狀態(tài)信息通道，其數(shù)據(jù)通道和流控狀態(tài)信息通道是獨立的并且是點對點通信。數(shù)據(jù)是以包的形式發(fā)送，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的內(nèi)嵌地址可支持高達(dá)256個端口，以下分別說明基本協(xié)議及數(shù)據(jù)通道和流控狀態(tài)信息的處理過程。

1 SPI串口通信格式

SPI接口協(xié)議要求接口設(shè)備按主一從方式進(jìn)行配置，總線上可以連接多個可作為主機的控制器、具備SPI接口的輸入／輸出設(shè)備，但同一時間內(nèi)總線上只能允許一個設(shè)備充當(dāng)主機。通常，SPI接口包括4種信號：

MISO串行數(shù)據(jù)輸入，也稱主入從出。

MOSI 串行數(shù)據(jù)輸出，也稱主出從入。

SCK 串行時鐘，由主機提供給從機。

SS 從機片選信號。

在時鐘SCK的作用下，SPI主機發(fā)送寄存器的內(nèi)容順序移位輸出給SPI從機。同時，SPI從機也將其數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容移位輸出給主機。圖1為其工作原理示意圖。

2 基于ARM的SPI接口模擬

LPC2378是Philips公司生產(chǎn)的ARM7系列芯片。該芯片是一款支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16／32位 ARM7TDMI-S微控制器，具有三級流水線指令處理結(jié)構(gòu)。LPC2378具有5個32位的GPIO端口。對GPIO口的控制可以通過操作以下GPIO 寄存器來實現(xiàn)：

FIODIR 快速GPIO端口方向控制寄存器；

FIOMASK 快速GPIO端口屏蔽寄存器；

FIOPIN 快速GPIO端口狀態(tài)寄存器；

FIOSET 快速GPIO端口置位寄存器；

FIOCLR 快速GPIO端口清零寄存器。

SPI（Serial Peripheral Interface--串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。SPI有三個寄存器分別為：控制寄存器SPCR，狀態(tài)寄存器SPSR，數(shù)據(jù)寄存器SPDR。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCLK）、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（有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI）。SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)到幾Mbps。

發(fā)送數(shù)據(jù)的實現(xiàn)代碼如下：

GPIO模擬SPI接口接收數(shù)據(jù)的流程和發(fā)送的不同之處在于讀取MISO信號而非設(shè)置MOSI電平。限于篇幅，對其不予贅述。接收數(shù)據(jù)的實現(xiàn)代碼如下：

上述的發(fā)送和接收代碼只是基本的實現(xiàn)，對于不同的SPI器件需要在每次操作后加入不同的延時以滿足該器件信號建立和保持的時序要求。

3 對TLV5637的訪問

TLV5637是TI公司一款雙通道的10位電壓輸出D／A轉(zhuǎn)換器件。該器件具有3個信號線：SCLK、DIN和CS，支持對TMS320系列的SPI，以及QSPI和Microwave串行端口的無縫連接。圖3為TLV5637和SPI接口的連接示意圖。

圖4為TLV5637的時序圖。如圖所示，TLV5637的數(shù)據(jù)采樣是在SCK時鐘的上升沿發(fā)生，而且該器件只支持16位的數(shù)據(jù)格式。

可以看出，16位的數(shù)據(jù)包含兩個部分：編程位和數(shù)據(jù)位。SPD為速度控制位，1表示快速，0表示慢速；PWR為功率控制位，1表示掉電模式，0表示工作模式；R1和R0為寄存器選擇位。表1為TLV5637的寄存器寫入選擇表。

表1中的寫控制寄存器即設(shè)置參考電壓，數(shù)據(jù)位的低兩位表示參考電壓的相關(guān)信息。其中，“00”和“11”表示參考電壓取自外部，“0l”表示參考電壓為1.024 V，“10”表示參考電壓為2.048 V。輸出電壓的幅度由下式?jīng)Q定：

CODE為所寫入的電壓數(shù)據(jù)值，REF為所設(shè)定的參考電壓。此外，在寫入電壓數(shù)據(jù)時，12位的數(shù)據(jù)只保持高10位有效，低2位可以忽略。TLV5637的寫函數(shù)如下：

經(jīng)過驗證，可以通過GPIO口模擬的SPI接口對TLV5637的輸出電壓進(jìn)行精確設(shè)置，而且其輸出滿足系統(tǒng)的電壓誤差要求。

結(jié) 語

本文提出了利用ARM芯片LPC2378的GPIO接口來仿真SPI接口的方法，同時實現(xiàn)了對串行D／A轉(zhuǎn)換芯片TLV5637的模擬SPI接口訪問。該方法具有一定的普遍意義，只要稍加改動，便可以應(yīng)用于各種類型的微處理器。