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1、SPI接口及应用摘要:为解决I/O口数据传输的速率问题，提出SPI接口的单线应用方案，分析该方法的可行性，并在单片机ADuC812与射频无线通信模块nRF2401间的接口设计中得到了应用，验证该方案的有效性。该方案具有电路设计简单、数据传输速率高等优点。1 SPI通信SPI接口的全称Serial Peripheral Interface 意为串行外围接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。 SPI接口一种同步串行外设接口，有信号线少、协议简单、传输速度快的特点，因此有不少外围器件都采用SPI总线，如Flash RAM、A/ D转换器、LED显示器、MCU以及计算机网
2、络等。 MCU中的SPI接口通过配置可与各个厂家生产的多种标准外围器件直接连接。 SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输,在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,地位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来说比I2C总线要快,速度可达到几Mbps。 SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件,其接口包括以下四种信号：（1）MOSI 主器件数据输出,从器件数据输入（2）MISO 主器件数据输入,从器件数据输出（3）SCLK 时钟信号,由主器件产生（4）/SS 从器件使能信号,由主器件控制SPI信号线:一般的SPI接口使用4条信号线与外围设备接
3、口，其具体功能如下：SCLOCK： 主机的时钟线，为数据的发送和接收提供同步时钟信号。每一位数据的传输都需要1次时钟作用， 因而发送或接收1个字节的数据都需要8个时钟作用。主机的时钟可以通过固件进行设置，并和从机的时钟线相连。MISO：主机输入/从机输出数据线。主机的MOSO应与从机的发送数据端相连，进行高位在前的数据交换。SS：低电平有效的从机选择线。当该线置低时，才能跟从机进行通信。SPI工作模式:SPI的工作模式分为：主模式和从模式。主模式的特点是不论发送还是接收始终有SCLOCK信号，SS信号不是必需的， 由于SPI只能有一个主机， 因而不存在主机的选择问题。从模式的特点是无论发送还是
4、接收必须在时钟信号SCLOCK的作用下才能进行，并且SS信号必须有效。 不论是在主模式下还是在从模式下，都要在时钟极性和时钟相位的配合下才能有效的完成一次数据传输。2 SPI接口的单线应用 在标准的SPI接口间进行通信时，SPI总线的四条信号线中： 主机SCLOCK与从机SCLOCK相连； 主机MISO与从机MOSI相连；主机MOSI与从机MISO 相连； 主机控制信号线与从机的SS相连。在SPI接口与非标准接口进行通信时，例如与有的串行RAM 接口，由于双向I/O数据线只有一条，时钟和片选信号线都有，那么如何利用SPI的高速特性进行数据的读出和写入呢? 在这里提出SPI的单线应用方案，其如图
5、1所示。主机的时钟信号SCLOCK 和片选信号SS与从机的对应信号线相连， 不同的是主机的MOSI和MISO信号线分别经过合适的电阻与从机的I/O信号线相连。当主机给从机发送数据时，在时钟信号的作用下，数据从MOSI口线经电阻1到从机的I/O 口线；当主机接收数据时，也需要在时钟信号的作用下，数据从从机的I/O口线经电阻2到主机的MISO口线。该方案中MOSI与MISO连在一起， 由于加了适当的电阻，所以不违反电路设计原则，但如果电阻大小不当会对信号的特性带来影响 。 图1 SPI单线应用方案3 SPI接口的单线应用举例 本例是作者设计的单片机，ADuC812的SPI总线与射频无线通信模块nR
6、F2401间的通信接口，由于nRF2401只支持I/O数据传输方式，但是为了提高无线通信的数据速率，作者采用单线方式实现了SPI与nRF2401的通信。电路设计 ADuC812的SPI与nRF2401的连接原理如图2所示。其中ADuC812作为主机，nRF2401作为从机，PWR、CE、CS是nRF2401的工作模式选择信号，他们共同完成从机的片选任务，相当于SS信号。CLK1是ADuC812串行时钟信号。根据信号阻抗匹配原则，通信中选用两个6K 的电阻。ADuC812单片机的SPI接口由SPICON (SPI控制寄存器)、SPIDAT (SPI数据寄存器)来控制， 通过设定SPICON 寄存
7、器的各位实现SPI的各种工作模式。 图2 ADuC812的SPI与nRF2401的连接原理 控制寄存器SPICON中从高到低各位说明如下：ISPI： 中断标志位。当发送或接收1字节数据完毕时自动置1当执行中断服务程序时，硬件自动清除该位。该位也可以通过软件控制。WCOL：写冲突错误标志位。SPE：SPI使能位。若SPE=0，则I2C串行口工作；若SPE=1，则SPI串行口工作。SPIM：主模式选择位。若SPIM=0，则SPI工作于从模式；若SPIM=1，则SPI工作于主模式。CPOL：时钟极性选择位。CPOL=0，在主机时钟下降沿时读取数据，各数据字节之间传输时，时钟处于高电平空闲状态；CPO
8、L=1，在主机时钟上升沿时读取数据，各数据字节之间传输时，时钟处于低电平空闲状态。CPHA；时钟相位选择位。CPHA=0，传输数据的最高位在SS的下降沿出现，在时钟第1个前沿读入，之后的下一个数据位在时钟后沿出现，在下一个前沿读入，直到8位数据读完；CPHA=1，传输数据在时钟前沿出现，在同一时钟周期的后沿读入。SPR1、SPR0：SPI波特率选择位。 接口程序设计 固件程序主要包括：SPI口初始化程序INITSPI，送数据程序SENDDATA，接收数据程RECEIVEDATA。 在SPI初始化程序中，控制寄存器SPICON设置为33H， 即CPOL=0，CPHA=0， 当设置CPOL= 1，
9、CPHA=1时， 由于干扰脉冲的存在，ADuC812与NRF2401不能很好的同步。 在发送数据子程序中，向数据寄存器SPIDAT写数据，如产生中断标志，说明数据传输完毕，则可以发送下一个数据。 在接收子程序中， 由于nRF2401送数据的时钟是由ADuC812的SCLOCK 产生的， 所以执行接收数据指令MOVA，SPIDAT时先要对数据寄存器SPIDAT 写数据0，也就是执行指令MOVA,SPIDAT，其目的是为了产生接收数据时的时钟信号， 当单片机向SPIDAT 写数据0时，nRF2401通过DATA 口向单片机送数据，改写SPIDAT 的内容，这就是所接收的数据。SPI单线方案在实际应用应注意以下问题：(1)时钟相位与时钟极性的设置。其设置要跟从机的数据读写时序相一致， 在一致时也要注意干扰问题。(2)所加电阻值的大小。阻值的大小关系到信号传输的阻抗匹配问题，同时也影响数据传输的速率，所以在选用电阻时一般取几K 的电阻。