1 指針變量的基本操作基本操作

　　外設(shè)接口（SPI）是微控制器和外圍 IC（如傳感器,、ADC,、DAC、 移位寄存器,、SRAM等）之間使用最廣泛的接口之一,。

　　SPI 是一種同步,、全雙工、主從式接口,。來(lái)自主機(jī)或從機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿同步,。主機(jī)和從機(jī)可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。SPI 接口可以是3線(xiàn)式或4線(xiàn)式,。本文重點(diǎn)介紹常用的4線(xiàn)SPI接口,。

　　1 接 口

　　4 線(xiàn) SPI 器件有四個(gè)信號(hào)：

　　時(shí)鐘(SPICLK,SCLK)

　　片選(CS)主機(jī)輸出

　　從機(jī)輸入(MOSI)主機(jī)輸入

　　從機(jī)輸出(MISO)

　　產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的器件稱(chēng)為主機(jī),。主機(jī)和從機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘同步。同I2C接口相比,，SPI器件支持更高的時(shí)鐘頻率,。用戶(hù)應(yīng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)以了解SPI接口的時(shí)鐘頻率規(guī)格。

　　SPI接口只能有一個(gè)主機(jī),，但可以有一個(gè)或多個(gè)從機(jī),。圖1顯示了主機(jī)和從機(jī)之間的SPI連接。

　　圖1. 含主機(jī)和從機(jī)的SPI配置

　　來(lái)自主機(jī)的片選信號(hào)用于選擇從機(jī),。這通常是一個(gè)低電平有效信號(hào),，拉高時(shí)從機(jī)與SPI總線(xiàn)斷開(kāi)連接。當(dāng)使用多個(gè)從機(jī)時(shí),，主機(jī)需要為每個(gè)從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號(hào),。本文中的片選信號(hào)始終是低電平有效信號(hào)。

　　MOSI和MISO是數(shù)據(jù)線(xiàn),。MOSI將數(shù)據(jù)從主機(jī)發(fā)送到從機(jī),，MISO將數(shù)據(jù)從從機(jī)發(fā)送到主機(jī)。

　　2  數(shù)據(jù)傳輸

　　要開(kāi)始SPI通信,，主機(jī)必須發(fā)送時(shí)鐘信號(hào),，并通過(guò)使能CS信號(hào)選擇從機(jī)。片選通常是低電平有效信號(hào),。因此,，主機(jī)必須在該信號(hào)上發(fā)送邏輯0以選擇從機(jī)。

　　SPI是全雙工接口,，主機(jī)和從機(jī)可以分別通過(guò)MOSI和MISO線(xiàn)路同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),。在SPI通信期間，數(shù)據(jù)的發(fā)送(串行移出到MOSI/SDO總線(xiàn)上)和接收(采樣或讀入總線(xiàn)(MISO/SDI)上的數(shù)據(jù))同時(shí)進(jìn)行,。串行時(shí)鐘沿同步數(shù)據(jù)的移位和采樣,。

　　SPI接口允許用戶(hù)靈活選擇時(shí)鐘的上升沿或下降沿來(lái)采樣和/或移位數(shù)據(jù)。欲確定使用SPI接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù),，請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)手冊(cè),。

　　3  時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位

　　在SPI中，主機(jī)可以選擇時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位,。在空閑狀態(tài)期間,，CPOL位設(shè)置時(shí)鐘信號(hào)的極性?？臻e狀態(tài)是指?jìng)鬏旈_(kāi)始時(shí)CS為高電平且在向低電平轉(zhuǎn)變的期間,，以及傳輸結(jié)束時(shí)CS為低電平且在向高電平轉(zhuǎn)變的期間。CPHA位選擇時(shí)鐘相位。

　　根據(jù)CPHA位的狀態(tài),，使用時(shí)鐘上升沿或下降沿來(lái)采樣和/或移位數(shù)據(jù),。主機(jī)必須根據(jù)從機(jī)的要求選擇時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。根據(jù)CPOL和CPHA位的選擇,，有四種SPI模式可用,。表1顯示了這4種SPI模式。

　　表1.通過(guò)CPOL和CPHA選擇SPI模式

　　圖2至圖5顯示了四種SPI模式下的通信示例,。在這些示例中,，數(shù)據(jù)顯示在MOSI和MISO線(xiàn)上。傳輸?shù)拈_(kāi)始和結(jié)束用綠色虛線(xiàn)表示,，采樣邊沿用橙色虛線(xiàn)表示,，移位邊沿用藍(lán)色虛線(xiàn)表示。請(qǐng)注意,，這些圖形僅供參考,。要成功進(jìn)行SPI通信，用戶(hù)須參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)并確保滿(mǎn)足器件的時(shí)序規(guī)格,。

　　圖2. SPI模式0,，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 低電平,，數(shù)據(jù)在上升沿采樣,，并在下降沿移出

　　圖3給出了SPI模式1的時(shí)序圖,。在此模式下,，時(shí)鐘極性為0，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為低電平,。此模式下的時(shí)鐘相位為1,，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣(由橙色虛線(xiàn)顯示)，并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移出(由藍(lán)色虛線(xiàn)顯示),。

　　圖4給出了SPI模式2的時(shí)序圖,。在此模式下，時(shí)鐘極性為1,，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為高電平,。此模式下的時(shí)鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣(由橙色虛線(xiàn)顯示),，并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移出(由藍(lán)色虛線(xiàn)顯示),。

　　圖5. SPI模式3，CPOL = 1,，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 高電平,，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出

　　圖5給出了SPI模式3的時(shí)序圖。在此模式下,，時(shí)鐘極性為1,，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時(shí)鐘相位為0,，表示數(shù)據(jù)在上升沿采樣(由橙色虛線(xiàn)顯示),，并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿移出(由藍(lán)色虛線(xiàn)顯示)。

　　4  多從機(jī)配置

　　多個(gè)從機(jī)可與單個(gè)SPI主機(jī)一起使用,。從機(jī)可以采用常規(guī)模式連接,，或采用菊花鏈模式連接。

　　常規(guī)SPI模式

　　在常規(guī)模式下,，主機(jī)需要為每個(gè)從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號(hào),。一旦主機(jī)使能(拉低)片選信號(hào)，MOSI/MISO線(xiàn)上的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)便可用于所選的從機(jī),。如果使能多個(gè)片選信號(hào),，則MISO線(xiàn)上的數(shù)據(jù)會(huì)被破壞，因?yàn)橹鳈C(jī)無(wú)法識(shí)別哪個(gè)從機(jī)正在傳輸數(shù)據(jù),。

　　從圖6可以看出,，隨著從機(jī)數(shù)量的增加，來(lái)自主機(jī)的片選線(xiàn)的數(shù)量也增加,。這會(huì)快速增加主機(jī)需要提供的輸入和輸出數(shù)量,，并限制可以使用的從機(jī)數(shù)量?？梢允褂闷渌夹g(shù)來(lái)增加常規(guī)模式下的從機(jī)數(shù)量,，例如使用多路復(fù)用器產(chǎn)生片選信號(hào)。

　　菊花鏈模式

　　在菊花鏈模式下,，所有從機(jī)的片選信號(hào)連接在一起,，數(shù)據(jù)從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī)。在此配置中,，所有從機(jī)同時(shí)接收同一SPI時(shí)鐘,。來(lái)自主機(jī)的數(shù)據(jù)直接送到第一個(gè)從機(jī)，該從機(jī)將數(shù)據(jù)提供給下一個(gè)從機(jī),，依此類(lèi)推,。

　　使用該方法時(shí)，由于數(shù)據(jù)是從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī),，所以傳輸數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘周期數(shù)與菊花鏈中的從機(jī)位置成比例,。例如在圖7所示的8位系統(tǒng)中，為使第3個(gè)從機(jī)能夠獲得數(shù)據(jù),，需要24個(gè)時(shí)鐘脈沖,，而常規(guī)SPI模式下只需8個(gè)時(shí)鐘脈沖,。

　　圖8顯示了時(shí)鐘周期和通過(guò)菊花鏈的數(shù)據(jù)傳播。并非所有SPI器件都支持菊花鏈模式,。請(qǐng)參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)以確認(rèn)菊花鏈?zhǔn)欠窨捎谩?/p>

　　ADI 支持 SPI 的模擬開(kāi)關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器

　　ADI公司最新一代支持SPI的開(kāi)關(guān)可在不影響精密開(kāi)關(guān)性能的情況下顯著節(jié)省空間,。本文的這一部分將討論一個(gè)案例研究，說(shuō)明支持SPI的開(kāi)關(guān)或多路復(fù)用器如何能夠大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)并減少所需的GPIO數(shù)量,。

　　ADG1412是一款四通道,、單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān)，需要四個(gè)GPIO連接到每個(gè)開(kāi)關(guān)的控制輸入,。圖9顯示了微控制器和一個(gè)ADG1412之間的連接,。

　　隨著電路板上開(kāi)關(guān)數(shù)量的增加，所需GPIO的數(shù)量也會(huì)顯著增加,。例如,，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試儀器系統(tǒng)時(shí)，會(huì)使用大量開(kāi)關(guān)來(lái)增加系統(tǒng)中的通道數(shù),。在4×4交叉點(diǎn)矩陣配置中,，使用四個(gè)ADG1412。此系統(tǒng)需要16個(gè)GPIO,，限制了標(biāo)準(zhǔn)微控制器中的可用GPIO,。圖10顯示了使用微控制器的16個(gè)GPIO連接四個(gè)ADG1412。

　　5  如何減少 GPIO 數(shù)量?

　　一種方法是使用串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器,，如圖11所示,。該器件輸出的并行信號(hào)可連接到開(kāi)關(guān)控制輸入，器件可通過(guò)串行接口SPI配置,。此方法的缺點(diǎn)是外加器件會(huì)導(dǎo)致物料清單增加,。

　　另一種方法是使用SPI控制的開(kāi)關(guān)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可減少所需GPIO的數(shù)量,，并且還能消除外加串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器的開(kāi)銷(xiāo),。如圖12所示,，不需要16個(gè)微控制器GPIO,，只需要7個(gè)微控制器GPIO就可以向4個(gè)ADGS1412提供SPI信號(hào)。開(kāi)關(guān)可采用菊花鏈配置,，以進(jìn)一步優(yōu)化GPIO數(shù)量,。在菊花鏈配置中，無(wú)論系統(tǒng)使用多少開(kāi)關(guān),，都只使用主機(jī)(微控制器)的四個(gè)GPIO,。

　　圖13用于說(shuō)明目的。ADGS1412數(shù)據(jù)手冊(cè)建議在SDO引腳上使用一個(gè)上拉電阻,。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),，此示例使用了四個(gè)開(kāi)關(guān)。隨著系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)數(shù)量的增加，電路板簡(jiǎn)單和節(jié)省空間的優(yōu)點(diǎn)很重要,。

　　在6層電路板上放置8個(gè)四通道SPST開(kāi)關(guān),，采用4×8交叉點(diǎn)配置時(shí)，ADI 公司支持 SPI 的開(kāi)關(guān)可節(jié)省20%的總電路板空間,。

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