淺談ARM與TLV5637的模擬SPI接口的設(shè)計(jì)

引 言

SPI 是英文Service Provider Interface的縮寫(xiě)。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(xiě)，除非是SPI中包含API中沒(méi)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(lái)說(shuō)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(dú)立的并且是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)端口，以下分別說(shuō)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(guò)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(gè)可作為主機(jī)的控制器、具備SPI接口的輸入／輸出設(shè)備，但同一時(shí)間內(nèi)總線上只能允許一個(gè)設(shè)備充當(dāng)主機(jī)。通常，SPI接口包括4種信號(hào)：

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(shí)鐘，由主機(jī)提供給從機(jī)。

SS 從機(jī)片選信號(hào)。

在時(shí)鐘SCK的作用下，SPI主機(jī)發(fā)送寄存器的內(nèi)容順序移位輸出給SPI從機(jī)。同時(shí)，SPI從機(jī)也將其數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容移位輸出給主機(jī)。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(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16／32位 ARM7TDMI-S微控制器，具有三級(jí)流水線指令處理結(jié)構(gòu)。LPC2378具有5個(gè)32位的GPIO端口。對(duì)GPIO口的控制可以通過(guò)操作以下GPIO 寄存器來(lái)實(shí)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(gè)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(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)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(shí)鐘線（SCLK）、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（有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT、有的SPI接口芯片沒(méi)有主機(jī)輸出/從機(jī)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(lái)說(shuō)比I2C總線要快，速度可達(dá)到幾Mbps。

發(fā)送數(shù)據(jù)的實(shí)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(hào)而非設(shè)置MOSI電平。限于篇幅，對(duì)其不予贅述。接收數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

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

3 對(duì)TLV5637的訪問(wèn)

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(gè)信號(hào)線：SCLK、DIN和CS，支持對(duì)TMS320系列的SPI，以及QSPI和Microwave串行端口的無(wú)縫連接。圖3為TLV5637和SPI接口的連接示意圖。

圖4為TLV5637的時(shí)序圖。如圖所示，TLV5637的數(shù)據(jù)采樣是在SCK時(shí)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(gè)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(xiě)入選擇表。

表1中的寫(xiě)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(xiě)入的電壓數(shù)據(jù)值，REF為所設(shè)定的參考電壓。此外，在寫(xiě)入電壓數(shù)據(jù)時(shí)，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(xiě)函數(shù)如下：

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，可以通過(guò)GPIO口模擬的SPI接口對(duì)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(yǔ)

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