SPI總線原理與應(yīng)用篇《電子制作》2023年9月站長(zhǎng)原創(chuàng)，如需引用請(qǐng)注明出處大家好，通過(guò)以前的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)對(duì)51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)的使用方法及學(xué)習(xí)方式有所了解與熟悉，學(xué)會(huì)了使用IIC總線的根本知識(shí)，體會(huì)到了綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)的易用性與易學(xué)性，這一期我們將一起學(xué)習(xí)SPI總線的根本原理與應(yīng)用實(shí)例。先看一下我們將要使用的51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)能完成哪些實(shí)驗(yàn)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作：分別有流水燈，數(shù)碼管顯示，液晶顯示，按鍵開(kāi)關(guān)，蜂鳴器奏樂(lè)，繼電器控制，IIC總線，SPI總線，PS/2實(shí)驗(yàn)，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，光耦實(shí)驗(yàn)，串口通信，紅外線遙控，無(wú)線遙控，溫度傳感，步進(jìn)電機(jī)控制等等。主體系統(tǒng)如圖1所示，其配套書(shū)本教程《單片機(jī)快速入門(mén)》如圖2所示。圖151單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)主機(jī)局部圖片圖251單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)配套書(shū)本教程——《單片機(jī)快速入門(mén)》上圖是我們將要使用的51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，如圖1所示，本期實(shí)驗(yàn)我們用到了綜合系統(tǒng)主機(jī)、板載的AT93C46芯片，綜合系統(tǒng)其它功能模塊原理與使用詳見(jiàn)前幾期《電子制作》雜志及后期連載教程介紹。SPI總線簡(jiǎn)介SPI總線根本概念SPI(SerialPeripheralInterface———串行外設(shè)接口)總線是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口,允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換。外圍設(shè)備包括FLASHRAM、A/D轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)控制器、MCU等。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，現(xiàn)在越來(lái)越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。其工作模式有兩種：主模式和從模式。SPI是一種允許一個(gè)主設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)從設(shè)備的同步通訊的協(xié)議，從而完成數(shù)據(jù)的交換。也就是SPI是一種規(guī)定好的通訊方式。這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是占用端口較少，一般4根就夠根本通訊了〔不算電源線〕。同時(shí)傳輸速度也很高。一般來(lái)說(shuō)要求主設(shè)備要有SPI控制器〔也可用模擬方式〕，就可以與基于SPI的芯片通訊了。SPI總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SPI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,一般使用4條線:串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO〔DO〕、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI〔DI〕和低電平有效的從機(jī)選擇線CS。MISO和MOSI用于串行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，先為MSB(高位)，后為L(zhǎng)SB(低位)。在SPI設(shè)置為主機(jī)方式時(shí)，MISO是主機(jī)數(shù)據(jù)輸入給，MOSI是主機(jī)數(shù)據(jù)輸出線。SCK用于提供時(shí)鐘脈沖將數(shù)據(jù)一位位地傳送。SPI總線器件間傳送數(shù)據(jù)框圖如圖3所示：圖3SPI總線器件間傳送數(shù)據(jù)框圖SPI總線的接口特性利用SPI總線可在軟件的控制下構(gòu)成各種系統(tǒng)。如1個(gè)主MCU和幾個(gè)從MCU、幾個(gè)從MCU相互連接構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)〔分布式系統(tǒng)〕、1個(gè)主MCU和1個(gè)或幾個(gè)從I／O設(shè)備所構(gòu)成的各種系統(tǒng)等。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，可使用1個(gè)MCU作為主控機(jī)來(lái)控制數(shù)據(jù)，并向1個(gè)或幾個(gè)從外圍器件傳送該數(shù)據(jù)。從器件只有在主機(jī)發(fā)命令時(shí)才能接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位〔MSB〕在前，低位〔LSB〕在后。當(dāng)一個(gè)主控機(jī)通過(guò)SPI與幾種不同的串行I／O芯片相連時(shí)，必須使用每片的允許控制端，這可通過(guò)MCU的I／O端口輸出線來(lái)實(shí)現(xiàn)。但應(yīng)特別注意這些串行I／O芯片的輸入輸出特性：首先是輸入芯片的串行數(shù)據(jù)輸出是否有三態(tài)控制端。平時(shí)未選中芯片時(shí)，輸出端應(yīng)處于高阻態(tài)。假設(shè)沒(méi)有三態(tài)控制端，那么應(yīng)外加三態(tài)門(mén)。否那么MCU的MISO端只能連接1個(gè)輸入芯片。其次是輸出芯片的串行數(shù)據(jù)輸入是否有允許控制端。因?yàn)橹挥性诖诵酒试S時(shí)，SCK脈沖才把串行數(shù)據(jù)移入該芯片；在禁止時(shí)，SCK對(duì)芯片無(wú)影響。假設(shè)沒(méi)有允許控制端，那么應(yīng)在外圍用門(mén)電路對(duì)SCK進(jìn)行控制，然后再加到芯片的時(shí)鐘輸入端；當(dāng)然，也可以只在SPI總線上連接1個(gè)芯片，而不再連接其它輸入或輸出芯片。SPI總線的數(shù)據(jù)傳輸SPI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，其時(shí)序其實(shí)很簡(jiǎn)單，主要是在SCK的控制下，兩個(gè)雙向移位存放器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。SPI數(shù)據(jù)傳輸原理很簡(jiǎn)單，它需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI〔數(shù)據(jù)輸入〕，SDO〔數(shù)據(jù)輸出〕，SCK〔時(shí)鐘〕，CS〔片選〕。其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說(shuō)只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)〔高電位或低電位〕，對(duì)此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。在SPI方式下數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCK時(shí)鐘線存在的原因，由SCK提供時(shí)鐘脈沖，SDI，SDO那么基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過(guò)SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上沿或下沿時(shí)改變，在緊接著的下沿或上沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號(hào)的改變〔上沿和下沿為一次〕，就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。假設(shè)8位存放器內(nèi)裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。那么第一個(gè)上升沿來(lái)的時(shí)候數(shù)據(jù)將會(huì)是高位數(shù)據(jù)SDO=1。下降沿到來(lái)的時(shí)候，SDI上的電平將被存到存放器中去，那么這時(shí)存放器=0101010SDI，這樣在8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，兩個(gè)存放器的內(nèi)容互相交換一次。這樣就完成里一個(gè)SPI時(shí)序。下面舉一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明其數(shù)據(jù)傳送過(guò)程。假設(shè)主機(jī)和從機(jī)初始化就緒，并且主機(jī)的sbuff=0xaa，從機(jī)的sbuff=0x55，下面將分步對(duì)SPI的8個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)情況演示一遍:〔下表中“上〞表示上升沿，“下〞表示下降沿〕脈沖序號(hào)主機(jī)緩存從機(jī)緩存SDISDO01010101001010101001上0101010x1010101x011下0101010010101011012上1010100x0101011x102下1010100101010110103上0101001x1010110x013下0101001010101101014上1010010x0101101x104下1010010101011010105上0100101x1011010x015下0100101010110101016上1001010x0110101x106下1001010101101010107上0010101x1101010x017下0010101011010101018上0101010x1010101x108下010101011010101010表1：脈沖與數(shù)據(jù)變化對(duì)應(yīng)表這樣就完成了兩個(gè)存放器8位的交換，SDI、SDO是相對(duì)于主機(jī)而言的。其中CS引腳作為主機(jī)的時(shí)候，從機(jī)可以把它拉底被動(dòng)選為從機(jī)，作為從機(jī)的是時(shí)候，可以作為片選腳用。根據(jù)以上分析，一個(gè)完整的傳送周期是16位，即兩個(gè)字節(jié)，因?yàn)?，首先主機(jī)要發(fā)送命令過(guò)去，然后從機(jī)根據(jù)主機(jī)的命令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，主機(jī)在下一個(gè)8位時(shí)鐘周期才把數(shù)據(jù)讀回來(lái)。這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒(méi)有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，主設(shè)備通過(guò)對(duì)SCK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出對(duì)于不帶SPI串行總線接口的MCS51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，可以使用軟件來(lái)模擬SPI的操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。如我們可以定義三個(gè)普通I/O口用來(lái)模擬SPI器件的SCK、MISO、MOSI。對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對(duì)于在SCK的上升沿輸入〔接收〕數(shù)據(jù)和在下降沿輸出〔發(fā)送〕數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)將其串行時(shí)鐘輸出口的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接口后再置為0。這樣，MCU在輸出1位SCK時(shí)鐘的同時(shí)，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至單片機(jī)的模擬MISO線，此后再置SCK為1，使單片機(jī)從模擬的MOSI線輸出1位數(shù)據(jù)〔先為高位〕至串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。此后再置SCK為0，模擬下1位數(shù)據(jù)的輸入輸出……，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過(guò)SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。對(duì)于在SCK的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，那么應(yīng)取串行時(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為0，即在接口芯片允許時(shí)，先置SCK為1，以便外圍接口芯片輸出1位數(shù)據(jù)〔MCU接收1位數(shù)據(jù)〕，之后再置時(shí)鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數(shù)據(jù)〔MCU發(fā)送1位數(shù)據(jù)〕，從而完成1位數(shù)據(jù)的傳送。93C46存儲(chǔ)器的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)例下面就以目前單片機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的SPI接口的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器93C46為例，介紹SPI器件的根本應(yīng)用。93C46串行存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介93C46是1k位串行EEPROM儲(chǔ)存器。每一個(gè)儲(chǔ)存器都可以通過(guò)DI/DO引腳寫(xiě)入或讀出。它的存儲(chǔ)容量為1024位，內(nèi)部為128×8位或64×16位。93C46為串行三線SPI操作芯片，在時(shí)鐘時(shí)序的同步下接收數(shù)據(jù)口的指令。指令碼為9位十進(jìn)制碼，具有7個(gè)指令，讀、擦寫(xiě)使能、擦除、寫(xiě)、全擦、全寫(xiě)及擦除禁止。該芯片擦寫(xiě)時(shí)間快，有擦寫(xiě)使能保護(hù)，可靠性高，擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)100萬(wàn)次，93C46的引腳功能圖如圖4所示。圖493C46的引腳圖CS：芯片選擇SCK：時(shí)鐘DI：串行數(shù)據(jù)輸入DO：串行數(shù)據(jù)輸出VSS：接地NC：空腳〔應(yīng)用時(shí)不用接任何電路〕VCC：電源指令起始位操作數(shù)地址數(shù)據(jù)64╳16128╳864╳16128╳8讀〔READ〕110A5~A0A6~A0去除〔〔ERASE〕111A5~A0A6~A0寫(xiě)〔WRITE〕101A5~A0A6~A0D15~D0D7~D0寫(xiě)使能〔EWEN〕10011XXXX11XXXXX寫(xiě)禁止〔EWDS〕10000XXXX00XXXXX芯片去除〔ERAL〕10010XXXX10XXXXX芯片寫(xiě)入〔WRAL〕10001XXXX01XXXXXD15~D0D7~D0表2：93C46串行EEPROM指令格式選擇表指令說(shuō)明：讀〔READ〕：當(dāng)下達(dá)10XXXXXX指令后，地址〔XXXXXXXX〕的數(shù)據(jù)在SCK=1時(shí)由DO輸出。寫(xiě)〔WRITE〕：在寫(xiě)入數(shù)據(jù)前，必須先下達(dá)寫(xiě)使能〔EWEN〕指令，然后再下達(dá)01XXXXXX指令后，當(dāng)SCK=1時(shí)，會(huì)把數(shù)據(jù)碼寫(xiě)入指定地址〔XXXXXXXX〕；而DO=0時(shí)，表示還在進(jìn)行寫(xiě)操作，寫(xiě)入結(jié)束后DO會(huì)轉(zhuǎn)為高電平。寫(xiě)入動(dòng)作完成后，必須再下達(dá)寫(xiě)禁止〔EWDS〕命令。去除〔ERASE〕：下達(dá)去除指令11XXXXXX后會(huì)將地址〔XXXXXXXX〕的數(shù)據(jù)去除。寫(xiě)使能〔EWEN〕：下達(dá)0011XXXX指令后，才可以進(jìn)行寫(xiě)〔WRITE〕操作。寫(xiě)禁止〔EWDS〕：下達(dá)0000XXXX指令后，才可重復(fù)進(jìn)行寫(xiě)入〔WRITE〕操作。芯片去除〔ERAL〕：下達(dá)0010XXXX指令后，全部禁止。芯片寫(xiě)入〔WRAL〕：下達(dá)0001XXXX指令后，全部寫(xiě)入“0〞。程序功能本例用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)9