基于單片機SPI器件的串口控制

摘要：集成電路設計越來越向系統(tǒng)級的方向發(fā)展，并且越來越強調模塊化的設計。SPI總線是Motorola公司提出的一個同步串行外設接口，容許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信、交換信息。在此簡述了SPI總線的特點，介紹了它的四條信號線及SPI串行總線接口的典型應用。重點描述SPI串行總線接口在DA芯片中的應用，并給出用C語言描述實現該接口通信的部分程序。該程序已經在AT89C2051中進行驗證。
關鍵詞：SPI；串口控制；AD7390；單片機

0 引 言
    串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)是一種高速同步串行輸入／輸出端口，近年來廣泛應用于移位寄存器、D／A轉換器、A／D轉換器、串行E2PROM、LED顯示驅動器等外部設備的擴展。SPI接口可以共享，便于組成帶多個SPI接口器件的系統(tǒng)。其傳送速率可編程，連接線少，具有良好的擴展性。

1 SPI接口介紹
    SPI是摩托羅拉公司推出的一種同步串行通信接口，用于微處理器、微控制器和外圍擴展芯片之間的串行連接，現已發(fā)展成為一種工業(yè)標準。目前，各半導體公司推出了大量的帶有SPI接口的具有各種各樣功能的芯片，如RAM，E2PROM，FLASH ROM，A／D轉換器、D／A轉換器、LED&LCD顯示驅動器、I／0接口芯片、實時時鐘、UART收發(fā)器等，為用戶的外圍擴展提供了極其靈活而價廉的選擇。由于SPI總線接口只占用微處理器四個I／O口線，故采用SPI總線接口可以簡化電路設計。節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I／O口線，提高設計的可靠性。目前，已有部分廠家的單片機具有SPI接口，如Philips的P89LPC900，Atmel的Atmega128等，但是，大部分單片機不支持SPI接口。在實際應用中，出于產品體積、成本和可擴展性等方面的考慮，設計人員往往希望使用不具備SPI接口的單片機來控制具備SPI接口的外圍器件?，F以AT89C2051單片機模擬SPI總線操作串行AD7390為例，如圖1所示，介紹利用單片機的I／O口通過軟件模擬SPI總線的實現方法。

    SPI使用的四條線是串行時鐘線(SCK)、主機輸入從機輸出線(MISO)、主機輸出從機輸入線(MOSI)、低電平有效的使能信號線(CS)。這樣，僅需3～4根數據線和控制線即可擴展具有SPI接口的各種I／O器件。
    SPI 總線具有以下特點：
    (1)因連線較少，可簡化電路設計。并行總線擴展方法通常需要8根數據線、8～16根地址線、2～3根控制線。而SPI總線設計，僅需4根數據線和控制線即可完成并行擴展所實現的功能。
    (2)器件統(tǒng)一編址，并與系統(tǒng)地址無關，操作SPI獨立性好。
    (3)器件操作遵循統(tǒng)一的規(guī)范．使系統(tǒng)軟硬件具有良好的通用性。

2 AD7390的基本結構和工作原理
    AD7390是ADl公司生產的12位分辨率電壓輸出數／模轉換器。該DAC為用戶提供低成本、高精度的可控電壓解決方案，使用單電源+3V系統(tǒng)供電。器件保證電源電壓為2．7～5．5V時消耗不到100mA的電流，所以該器件適用于一些對功效要求高的設備，比如電池供電系統(tǒng)。輸出電壓取決于外部參考輸入電壓。DACOUT輸出介于REFIN與地之間的任意值，其內部框圖如圖2所示。

    內部雙緩沖串行數據接口提供高速轉換，微控制器通過三線SPI控制器件、串行數據(SDI)、時鐘(CLK)和使能(LD)引腳。此外，使用CLR輸入可以對輸出清零。操作時序如圖3所示。

3 AD7390的串口控制
    電腦通過RS 232向MCU發(fā)送控制信號，再由MCU控制AD7390，完成整個設置過程。通過串口控制AD7390的軟件流程如圖4所示。一旦有數據寫入單片機，則單片機將重新設置AD7390。

    單片機程序分為三大模塊，分別是SPI控制模塊、串口接收模塊和操作信息反饋模塊。
    SPI控制模塊產生CLK，LD，并在CLK的上升沿到來之前，保證SDI數據的穩(wěn)定，以便AD7390準確地采集到數據。CLK時鐘的頻率根據器件的典型延遲決定，不同器件有不同的延遲，所以它決定了不同器件的時鐘應該不一樣。
    串口接收模塊完成從電腦接收數據并保存數據。由一片MAX 232完成RS 232電平與TTL電平之間的轉換。因為傳輸的是連續(xù)性數據，因此在接收程序的編寫時，要注意中斷申請的屏蔽，才能準確地接收到全部數據。
    在利用串口調試助手調試時，留意發(fā)送數據的格式，是否以16進制發(fā)送，會影響接收到的數據。比如，發(fā)送字母“E”，如果以16進制發(fā)送。發(fā)送的實際數據是“15”，而接收到的數據是“15”的ASCII碼“49”、“53”；如果不以16進制發(fā)送，則發(fā)送的是字母“E”的ASCII碼“69’。由此可以看出它們之間的差別。因此在接收方要得到想要的數據，則需要進行轉換。該轉換可參看后面的程序。
    操作信息反饋模塊完成操作結果的可視化輸出，通過內部計算，輸出設置的電壓值，這為調試過程提供了很大的便利。
    AD7390為12位數／模轉換器。該器件接收16位數據，數據格式如圖5所示，取低12位作為有效數據，自動舍棄高4位。因為單片機傳輸數據以字節(jié)(8 b)為單位，所以采用16位傳輸模式。

    部分程序代碼如下：