SPI接口的单线应用

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,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。

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