SPI经验总结.docx

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SPI经验总结

SPI经验总结

1.AVR单片机串行接口SPI接口应用设计

2011-11-1120:

16:

35

　　使用的同步串行三线SPI接口，可以方便的连接采用SPI通信协议的外围或另一片AVR单片机，实现在短距离内的高速同步通信。

ATmega128的SPI采用硬件方式实现面向字节的全双工3线同步通信，支持主机、从机和2种不同极性的SPI时序，通信速率有7种选择，主机方式的最高速率为1/2系统时钟，从机方式最高速率为1/4系统时钟。

　　ATmega128单片机内部的SPI接口也被用于程序存储器和数据E2PROM的编程下载和上传。

但特别需要注意的是，此时SPI的MOSI和MISO接口不再对应PB2、PB3引脚，而是转换到PE0、PE1引脚上（PDI、PDO），其详见第二章中关于程序存储器的串行编程和校验部分的内容。

　　ATmega128的SPI为硬件接口和传输完成中断申请，所以使用SPI传输数据的有效方法是采用中断方式+数据缓存器的设计方法。

在对SPI初始化时，应注意以下几点：

　　.正确选择和设置主机或从机，以及工作模式（极性），数据传输率;

　　.注意传送字节的顺序，是低位优先（LSBFirst）还是高位优先（MSBFrist）;

　　.正确设置MOSI和MISO接口的输入输出方向，输入引脚使用上拉电阻，可以节省总线上的吊高电阻。

　　下面一段是SPI主机方式连续发送（接收）字节的例程：

　　#DefineSIZE100

　　UnsignedCharSPI_rx_buff[SIZE];

　　UnsignedCharSPI_tx_buff[SIZE];

　　UnsignedCharRx_wr_index,Rx_rd_index,Rx_counter,Rx_buffer_overflow;

　　UnsignedCharTx_wr_index,Tx_rd_index,Tx_counter;

　　#PragmaInterrupt_handlerSpi_stc_isr:

18

　　VoidSpi_stc_isr（Void）

　　{

　　SPI_rx_buff[Rx_wr_index]=SPDR;//从ISP口读出收到的字节

　　If（++Rx_wr_index==SIZE）Rx_wr_index=0;//放入接收缓冲区，并调整队列指针

　　If（++Rx_counter==SIZE）

　　{

　　Rx_counter=0;

　　Rx_buffer_overflow=1;

　　}

　　If（Tx_counter）//如果发送缓冲区中有待发的数据

　　{

　　--Tx_counter;

　　SPDR=SPI_tx_buff[Tx_rd_index];//发送一个字节数据，并调整指针

　　If（++Tx_rd_index==SIZE）Tx_rd_index=0;

　　}

　　}

　　UnsignedCharGetSPIchar（Void）

　　{

　　UnsignedCharData;

　　While（Rx_counter==0）;//无接收数据，等待

　　Data=SPI_rx_buff[Rx_rd_index];//从接收缓冲区取出一个SPI收到的数据

　　If（++Rx_rd_index==SIZE）Rx_rd_index=0;//调整指针

　　CLI（）;

　　--Rx_counter;

　　SEI（）;

　　ReturnData;

　　}

　　VoidPutSPIchar（CharC）

　　{

　　While（Tx_counter==SIZE）;//发送缓冲区满，等待

　　CLI（）;

　　If（Tx_counter||（（SPSR&0x80）==0））//发送缓冲区已中有待发数据

　　{//或SPI正在发送数据时

　　SPI_tx_buffer[Tx_wr_index]=C;//将数据放入发送缓冲区排队

　　If（++Tx_wr_index==SIZE）Tx_wr_index=0;//调整指针

　　++Tx_counter;

　　}

　　Else

　　SPDR=C;//发送缓冲区中空且SPI口空闲，直接放入SPDR由SIP口发送

　　SEI（）;

　　}

　　VoidSpi_init（Void）

　　{

　　UnsignedChatTemp;

　　DDRB|=0x080;//MISO=InputAndMOSI,SCK,SS=Output

　　PORTB|=0x80;//MISO上拉电阻有效

　　SPCR=0xD5;//SPI允许，主机模式，MSB，允许SPI中断，极性方式01，1/16系统时钟速率

　　SPSR=0x00;

　　Temp=SPSR;

　　Temp=SPDR;//清空SPI，和中断标志，使SPI空闲

　　}

　　VoidMain（Void）

　　{

　　UnsignedCharI;

　　CLI（）;//关中断

　　Spi_init（）;//初始化SPI接口

　　SEI（）;//开中断

　　While（）

　　{

　　PutSPIchat（I）;//发送一个字节

　　I++;

　　GetSPIchar（）;//接收一个字节（第一个字节为空字节）

　　………

　　}

　　}

　　这个典型的SPI例程比较简单，主程序中首先对ATmega128的硬件SPI进行初始化。

在初始化过程中，将PORTB的MOSI、SCLK和SS引脚作为输出，同时将MISO作为输入引脚，并打开上拉电阻。

接着对SPI的寄存器进行初始化设置，并空读一次SPSR、SPDR寄存器（读SPSR后再对SPDR操作将自动清零SPI中断标志自动清零），使ISP空闲等待发送数据。

　　AVR的SPI由一个16位的循环移位寄存器构成，当数据从主机方移出时，从机的数据同时也被移入，因此SPI的发送和接收在一个中断服务中完成。

在SPI中断服务程序中，先从SPDR中读一个接收的字节存入接收数据缓冲器中，再从发送数据缓冲器取出一个字节写入SPDR中，由ISP发送到从机。

数据一旦写入SPDR，ISP硬件开始发送数据。

下一次ISP中断时，表示发送完成，并同时收到一个数据。

类似本章介绍的USART接口的使用，程序中PutSPIchar（）和GetSPIchar（）为应用程序的底层接口函数（SPI驱动程序是SPI中断服务程序），同时也使用了两个数据缓冲器，分别构成循环队列。

这种程序设计的思路，不但程序的结构性完整，同时也适当的解决了高速MCU和低速串口之间的矛盾，实现程序中任务的并行运行，提高了MCU的运行效率。

　　本例程是通过SPI批量输出、输入数据的示例，用户可以使用一片ATmega128，将其MOSI和MISO两个引脚连接起来，构成一个ISP接口自发自收的系统，对程序进行演示验证。

需要注意，实际接收到的字节为上一次中断时发出的数据，即第一个收到的字节是空字节。

　　读懂和了解程序的处理思想，读者可以根据需要对程序进行改动，适合实际系统的使用。

如在实际应用中外接的从机是一片SPI接口的温度芯片，协议规程为：

主机先要连续发送3个字节的命令，然后从机才返回一个字节的数据。

那么用户程序可以先循环调用PutSPIchar（）函数4次，将3个字节的命令和一个字节的空数据发送到从机，然后等待一段时间，或处理一些其它的操作后，再循环调用GetSPIchar（）函数4次，从接收数据缓冲器中连续读取4个字节，放弃前3个空字节，第4个字节即为从机的返回数据了。

2.51单片机综合学习系统之 SPI总线原理与应用篇 《电子制作》2008年9月 站长原创，如需引用请注明出处

（2011-04-2510:

55:

44）

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杂谈

  大家好，通过以前的学习，我们已经对51单片机综合学习系统的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，学会了使用IIC总线的基本知识，体会到了综合学习系统的易用性与易学性，这一期我们将一起学习SPI总线的基本原理与应用实例。

    先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：

分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。

主体系统如图1所示，其配套书本教程《单片机快速入门》如图2所示。

图151单片机综合学习系统主机部分图片

图251单片机综合学习系统配套书本教程——《单片机快速入门》

    上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，如图1所示，本期实验我们用到了综合系统主机、板载的AT93C46芯片，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。

SPI总线简介

SPI总线基本概念

    SPI（SerialPeripheralInterface———串行外设接口）总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。

SPI总线系统是一种同步串行外设接口,允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。

外围设备包括FLASHRAM、A/D转换器、网络控制器、MCU等。

SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

其工作模式有两种：

主模式和从模式。

SPI是一种允许一个主设备启动一个从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。

也就是SPI是一种规定好的通讯方式。

这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4根就够基本通讯了（不算电源线）。

同时传输速度也很高。

一般来说要求主设备要有SPI控制器（也可用模拟方式），就可以与基于SPI的芯片通讯了。

SPI总线系统结构

    SPI系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,一般使用4条线:

串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO（DO）、主机输出/从机输入数据线MOSI（DI）和低电平有效的从机选择线CS。

MISO和MOSI用于串行接收和发送数据，先为MSB（高位），后为LSB（低位）。

在SPI设置为主机方式时，MISO是主机数据输入给，MOSI是主机数据输出线。

SCK用于提供时钟脉冲将数据一位位地传送。

SPI总线器件间传送数据框图如图3所示：

图3SPI总线器件间传送数据框图

SPI总线的接口特性

    利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统。

如1个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1个主MCU和1个或几个从I／O设备所构成的各种系统等。

在大多数应用场合，可使用1个MCU作为主控机来控制数据，并向1个或几个从外围器件传送该数据。

从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。

其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。

    当一个主控机通过SPI与几种不同的串行I／O芯片相连时，必须使用每片的允许控制端，这可通过MCU的I／O端口输出线来实现。

但应特别注意这些串行I／O芯片的输入输出特性：

首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。

平时未选中芯片时，输出端应处于高阻态。

若没有三态控制端，则应外加三态门。

否则MCU的MISO端只能连接1个输入芯片。

其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。

因为只有在此芯片允许时，SCK脉冲才把串行数据移入该芯片；在禁止时，SCK对芯片无影响。

若没有允许控制端，则应在外围用门电路对SCK进行控制，然后再加到芯片的时钟输入端；当然，也可以只在SPI总线上连接1个芯片，而不再连接其它输入或输出芯片。

SPI总线的数据传输

    SPI是一个环形总线结构，其时序其实很简单，主要是在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。

SPI数据传输原理很简单，它需要至少4根线，事实上3根也可以。

也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。

这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

在SPI方式下数据是一位一位的传输的。

这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。

数据输出通过SDO线，数据在时钟上沿或下沿时改变，在紧接着的下沿或上沿被读取。

完成一位数据传输，输入也使用同样原理。

这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

假设8位寄存器内装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

那么第一个上升沿来的时候数据将会是高位数据SDO=1。

下降沿到来的时候，SDI上的电平将被存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010SDI，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。

这样就完成里一个SPI时序。

下面举一个实例来说明其数据传送过程。

    假设主机和从机初始化就绪，并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对SPI的8个时钟周期的数据情况演示一遍:

（下表中“上”表示上升沿，“下”表示下降沿）

脉冲序号

主机缓存

从机缓存

SDI

SDO

0

10101010

01010101

0

0

1上

0101010x

1010101x

0

1

1下

01010100

10101011

0

1

2上

1010100x

0101011x

1

0

2下

10101001

01010110

1

0

3上

0101001x

1010110x

0

1

3下

01010010

10101101

0

1

4上

1010010x

0101101x

1

0

4下

10100101

01011010

1

0

5上

0100101x

1011010x

0

1

5下

01001010

10110101

0

1

6上

1001010x

0110101x

1

0

6下

10010101

01101010

1

0

7上

0010101x

1101010x

0

1

7下

00101010

11010101

0

1

8上

0101010x

1010101x

1

0

8下

01010101

10101010

1

0

表1：

脉冲与数据变化对应表

    这样就完成了两个寄存器8位的交换，SDI、SDO是相对于主机而言的。

其中CS引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。

根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。

这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。

也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。

SPI还是一个数据交换协议，因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出

    对于不带SPI串行总线接口的MCS51系列单片机来说，可以使用软件来模拟 SPI的操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。

如我们可以定义三个普通I/O口用来模拟SPI器件的SCK、MISO、MOSI。

对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。

对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口的初始状态设置为1，而在允许接口后再置为0。

这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至单片机的模拟MISO线，此后再置SCK为1，使单片机从模拟的MOSI线输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。

至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。

此后再置SCK为0，模拟下1位数据的输入输出……，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。

对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置SCK为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据（MCU发送1位数据），从而完成1位数据的传送。

93C46存储器的软硬件设计实例

    下面就以目前单片机系统中广泛应用的SPI接口的数据存储器93C46为例，介绍SPI器件的基本应用。

93C46串行存储器简介

    93C46是1k位串行EEPROM储存器。

每一个储存器都可以通过DI/DO引脚写入或读出。

它的存储容量为1024位，内部为128×8位或64×16位。

93C46为串行三线SPI操作芯片，在时钟时序的同步下接收数据口的指令。

指令码为9位十进制码，具有7个指令，读、擦写使能、擦除、写、全擦、全写及擦除禁止。

该芯片擦写时间快，有擦写使能保护，可靠性高，擦写次数可达100万次，93C46的引脚功能图如图4所示。

图493C46的引脚图

CS：

芯片选择

SCK：

时钟

DI：

串行数据输入

DO：

串行数据输出

VSS：

接地

NC：

空脚（应用时不用接任何电路）

VCC：

电源

指令

起始位

操作数

地址

数据

64╳16

128╳8

64╳16

128╳8

读（READ）

1

10

A5~A0

A6~A0

清除（（ERASE）

1

11

A5~A0

A6~A0

写（WRITE）

1

01

A5~A0

A6~A0

D15~D0

D7~D0

写使能（EWEN）

1

00

11XXXX

11XXXXX

写禁止（EWDS）

1

00

00XXXX

00XXXXX

芯片清除（ERAL）

1

00

10XXXX

10XXXXX

芯片写入（WRAL）

1

00

01XXXX

01XXXXX

D15~D0

D7~D0

表2：

93C46串行EEPROM指令格式选择表

指令说明：

∙读（READ）：

当下达10XXXXXX指令后，地址（XXXXXXXX）的数据在SCK=1时由DO输出。

∙写（WRITE）：

在写入数据前，必须先下达写使能（EWEN）指令，然后再下达01XXXXXX指令后，当SCK=1时，会把数据码写入指定地址（XXXXXXXX）；而DO=0时，表示还在进行写操作，写入结束后DO会转为高电平。

写入动作完成后，必须再下达写禁止（EWDS）命令。

∙清除（ERASE）：

下达清除指令11XXXXXX后会将地址（XXXXXXXX）的数据清除。

∙写使能（EWEN）：

下达0011XXXX指令后，才可以进行写（WRITE）操作。

∙写禁止（EWDS）：

下达0000XXXX指令后，才可重复进行写入（WRITE）操作。

∙芯片清除（ERAL）：

下达0010XXXX指令后，全部禁止。

∙芯片写入（WRAL）：

下达0001XXXX指令后，全部写入“0”。

程序功能

    本例用来实现对93C46存储器的读写操作，并验证数据是否正确。

此程序可以用配套实验板为硬件平台，在调试时要把功能开关调到93C46处。

本程序先分别向0x02和0x03两个地址写入0x55和0xAA，然后读其中一个地址，并将读到的数据显示出来验证是否正确。

程序默认是读0x02地址内的数据，读者也可以修改地址数据来读其它地址数据。

在实验前要先把功能开关切换到93C46的位置上，如图5，图6所示。

图593C46实验演示图

图693C46实验演示图

硬件原理图

图7硬件原理图

程序流程图

图8软件流程图

    相信看到这里，你应该可以理解我们是如何利用单片机来进行SPI总线的读写操作了，你也可以根据自己的需要来写芯片读写、存储的相关程序。

由于篇幅有限，读者朋友可以通过网站或电子邮件一起交流与学习。

在下几期中，我们将陆续介绍51单片机综合学习系统的其它功能原理与应用。