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S CLOCK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M OSI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nRF2401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；CPOL=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SENDDAT A，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，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SPIDA T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MOV A，SPIDAT时先要对数据寄存器SPIDAT 写数据0，也就是执行指令MOVA,SPIDA T，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DA TA 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。
