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51单片机综合学习系统之 SPI总线原理与应用篇

2016-10-11 13:48
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    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。

pcb图1 51单片机综合学习系统主机部分图片

 

book

 

图2 51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 ( Serial Peripheral Interface ———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:

sch

图3 SPI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。

93c46

图4 93C46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。

demo图5 93C46实验演示图

 

demo

 

图6 93C46实验演示图

 

硬件原理图

 

sch

 

图7 硬件原理图

程序流程图

 

software

 

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。