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,。來自主機或從機的數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿同步。主機和從機可以同時傳輸數(shù)據(jù),。SPI 接口可以是3線式或4線式,。本文重點介紹常用的4線SPI接口。

　　1 接 口

　　4 線 SPI 器件有四個信號：

　　時鐘(SPICLK,SCLK)

　　片選(CS)主機輸出

　　從機輸入(MOSI)主機輸入

　　從機輸出(MISO)

　　產(chǎn)生時鐘信號的器件稱為主機,。主機和從機之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機產(chǎn)生的時鐘同步,。同I2C接口相比,，SPI器件支持更高的時鐘頻率。用戶應(yīng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊以了解SPI接口的時鐘頻率規(guī)格,。

　　SPI接口只能有一個主機,，但可以有一個或多個從機。圖1顯示了主機和從機之間的SPI連接,。

　　圖1. 含主機和從機的SPI配置

　　來自主機的片選信號用于選擇從機,。這通常是一個低電平有效信號，拉高時從機與SPI總線斷開連接,。當(dāng)使用多個從機時,，主機需要為每個從機提供單獨的片選信號。本文中的片選信號始終是低電平有效信號,。

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

　　2  數(shù)據(jù)傳輸

　　要開始SPI通信,，主機必須發(fā)送時鐘信號，并通過使能CS信號選擇從機,。片選通常是低電平有效信號,。因此，主機必須在該信號上發(fā)送邏輯0以選擇從機,。

　　SPI是全雙工接口,，主機和從機可以分別通過MOSI和MISO線路同時發(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總線上)和接收(采樣或讀入總線(MISO/SDI)上的數(shù)據(jù))同時進行。串行時鐘沿同步數(shù)據(jù)的移位和采樣,。

　　SPI接口允許用戶靈活選擇時鐘的上升沿或下降沿來采樣和/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)，請參閱器件數(shù)據(jù)手冊,。

　　3  時鐘極性和時鐘相位

　　在SPI中,，主機可以選擇時鐘極性和時鐘相位。在空閑狀態(tài)期間,，CPOL位設(shè)置時鐘信號的極性,。空閑狀態(tài)是指傳輸開始時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CS為低電平且在向高電平轉(zhuǎn)變的期間,。CPHA位選擇時鐘相位。

　　根據(jù)CPHA位的狀態(tài),，使用時鐘上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù),。主機必須根據(jù)從機的要求選擇時鐘極性和時鐘相位,。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線上,。傳輸?shù)拈_始和結(jié)束用綠色虛線表示，采樣邊沿用橙色虛線表示,，移位邊沿用藍色虛線表示,。請注意，這些圖形僅供參考,。要成功進行SPI通信,，用戶須參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊并確保滿足器件的時序規(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的時序圖,。在此模式下，時鐘極性為0,，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為低電平,。此模式下的時鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣(由橙色虛線顯示),，并且數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿移出(由藍色虛線顯示),。

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

　　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的時序圖,。在此模式下，時鐘極性為1,，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平,。此模式下的時鐘相位為0,，表示數(shù)據(jù)在上升沿采樣(由橙色虛線顯示)，并且數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿移出(由藍色虛線顯示),。

　　4  多從機配置

　　多個從機可與單個SPI主機一起使用,。從機可以采用常規(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,，主機需要為每個從機提供單獨的片選信號。一旦主機使能(拉低)片選信號,，MOSI/MISO線上的時鐘和數(shù)據(jù)便可用于所選的從機,。如果使能多個片選信號，則MISO線上的數(shù)據(jù)會被破壞,，因為主機無法識別哪個從機正在傳輸數(shù)據(jù),。

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

　　菊花鏈模式

　　在菊花鏈模式下,，所有從機的片選信號連接在一起，數(shù)據(jù)從一個從機傳播到下一個從機,。在此配置中,，所有從機同時接收同一SPI時鐘。來自主機的數(shù)據(jù)直接送到第一個從機,，該從機將數(shù)據(jù)提供給下一個從機,，依此類推。

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

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

　　ADI 支持 SPI 的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器

　　ADI公司最新一代支持SPI的開關(guān)可在不影響精密開關(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案例研究,，說明支持SPI的開關(guān)或多路復(fù)用器如何能夠大大簡化系統(tǒng)級設(shè)計并減少所需的GPIO數(shù)量。

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

　　隨著電路板上開關(guān)數(shù)量的增加,，所需GPIO的數(shù)量也會顯著增加。例如,，當(dāng)設(shè)計一個測試儀器系統(tǒng)時,，會使用大量開關(guān)來增加系統(tǒng)中的通道數(shù)。在4×4交叉點矩陣配置中,，使用四個ADG1412,。此系統(tǒng)需要16個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GPIO連接四個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可連接到開關(guān)控制輸入,，器件可通過串行接口SPI配置。此方法的缺點是外加器件會導(dǎo)致物料清單增加,。

　　另一種方法是使用SPI控制的開關(guān),。此方法的優(yōu)點是可減少所需GPIO的數(shù)量，并且還能消除外加串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器的開銷,。如圖12所示,，不需要16個微控制器GPIO，只需要7個微控制器GPIO就可以向4個ADGS1412提供SPI信號,。開關(guān)可采用菊花鏈配置,，以進一步優(yōu)化GPIO數(shù)量。在菊花鏈配置中,，無論系統(tǒng)使用多少開關(guān),，都只使用主機(微控制器)的四個GPIO。

　　圖13用于說明目的,。ADGS1412數(shù)據(jù)手冊建議在SDO引腳上使用一個上拉電阻,。為簡單起見，此示例使用了四個開關(guān),。隨著系統(tǒng)中開關(guān)數(shù)量的增加,，電路板簡單和節(jié)省空間的優(yōu)點很重要。

　　在6層電路板上放置8個四通道SPST開關(guān)，采用4×8交叉點配置時,，ADI 公司支持 SPI 的開關(guān)可節(jié)省20%的總電路板空間,。

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