MCS-51系列單片機(jī)模擬SPI總線的方法

1 引言

SPI（Serial Peripheral Interface--串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS（有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT或INT、有的SPI接口芯片沒有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI）。由于SPI系統(tǒng)總線一共只需3～4位數(shù)據(jù)線和控制即可實(shí)現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進(jìn)行接口，而擴(kuò)展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)線、8～16位地址線、2～3位控制線，因此，采用SPI總線接口可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性。由此可見，在MCS51系列等不具有SPI接口的單片機(jī)組成的智能儀器和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸速度要求不是太高時(shí)，使用SPI總線可以增加應(yīng)用系統(tǒng)接口器件的種類，提高應(yīng)用系統(tǒng)的性能。

2 SPI總線的組成

利用SPI總線可在軟件的控制下構(gòu)成各種系統(tǒng)。如1個(gè)主MCU和幾個(gè)從MCU、幾個(gè)從MCU相互連接構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)（分布式系統(tǒng)）、1個(gè)主MCU和1個(gè)或幾個(gè)從I/O設(shè)備所構(gòu)成的各種系統(tǒng)等。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，可使用1個(gè)MCU作為控機(jī)來控制數(shù)據(jù)，并向1個(gè)或幾個(gè)從外圍器件傳送該數(shù)據(jù)。從器件只有在主機(jī)發(fā)命令時(shí)才能接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。SPI總線接口系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)一個(gè)主控機(jī)通過SPI與幾種不同的串行I/O芯片相連時(shí)，必須使用每片的允許控制端，這可通過MCU的I/O端口輸出線來實(shí)現(xiàn)。但應(yīng)特別注意這些串行I/O芯片的輸入輸出特性：首先是輸入芯片的串行數(shù)據(jù)輸出是否有三態(tài)控制端。平時(shí)未選中芯片時(shí)，輸出端應(yīng)處于高阻態(tài)。若沒有三態(tài)控制端，則應(yīng)外加三態(tài)門。否則MCU的MISO端只能連接1個(gè)輸入芯片。其次是輸出芯片的串行數(shù)據(jù)輸入是否有允許控制端。因此只有在此芯片允許時(shí)，SCK脈沖才把串行數(shù)據(jù)移入該芯片；在禁止時(shí)，SCK對(duì)芯片無影響。若沒有允許控制端，則應(yīng)在外圍用門電路對(duì)SCK進(jìn)行控制，然后再加到芯片的時(shí)鐘輸入端；當(dāng)然，也可以只在SPI總線上連接1個(gè)芯片，而不再連接其它輸入或輸出芯片。

3 在MCS-51系列單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)方法

對(duì)于不帶SPI串行總線接口的MCS-51系列單片機(jī)來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對(duì)于在SCK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)將其串行時(shí)鐘輸出口P1.1的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接收后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位SCK時(shí)鐘的同時(shí)，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至MCS-51單片機(jī)的P1.3口（模擬MCU的MISO線），此后再置P1.1為1，使MCS-51系列單片機(jī)從P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數(shù)據(jù)的輸入輸出……，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。對(duì)于在SCK的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，則應(yīng)取串行時(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為0，即在接口芯片允許時(shí)，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數(shù)據(jù)（MCU接收1位數(shù)據(jù)），之后再置時(shí)鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數(shù)據(jù)(MCU發(fā)送1位數(shù)據(jù))，從而完成1位數(shù)據(jù)的傳送。
 
圖2所示為MCS-51系列單片機(jī)與存儲(chǔ)器X25F008（E2PROM）的硬件連接圖，圖2中，P1.0模擬MCU的數(shù)據(jù)輸出端（MOSI），P1.1模擬SPI的SCK輸出端，P1.2模擬SPI的從機(jī)選擇端，P1.3模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端（MISO）。下面介紹用MCS-51單片機(jī)的匯編語言模擬SPI串行輸入、串行輸出和串行輸入/輸出的3個(gè)子程序，實(shí)際上，這些子程序也適用于在串行時(shí)鐘的上升沿輸入和下降沿輸出的其它各種串行外圍接口芯片（如A/D轉(zhuǎn)換芯片、網(wǎng)絡(luò)控制器芯片、LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片等）。對(duì)于下降沿輸入、上升沿輸出的各種串行外圍接口芯片，只要改變P1.1的輸出電平順序，即先置P1.1為低電平，之后再次置P1.1為高電平，再置P1.1為低電平……，則這些子程序也同樣用。

3.1 MCU串行輸入子程序SPIIN

從X25F008的SPISO線上接收8位數(shù)據(jù)并放入寄存器R0中的應(yīng)用子程序如下：
SPIIN：SETB  P1.1           ；使P1.1(時(shí)鐘)輸出為1
CLR  P1.2                   ；選擇從機(jī)
MOV  R1，#08H             ；置循環(huán)次數(shù)
SPIIN1: CLR    P1.1          ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0
NOP                         ；延時(shí)
NOP
MOV  C，P1.3                ；從機(jī)輸出SPISO送進(jìn)位C
RLC  A                      ；左移至累加器ACC
SETB   P1.1                ；使P1.0（時(shí)鐘）輸出為1
DJNZ   R1,SPIIN1           ；判斷是否循環(huán)8次（8位數(shù)據(jù)）
MOV   R0，A              ；8位數(shù)據(jù)送R0
RET
3.2 MCU串行輸出子程序SPIOUT
將MCS-51單片機(jī)中R0寄存器的內(nèi)容傳送到X25F008的SPISI線上的程序如下：
SPIOUT：SETB  P1.1    ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1
CLR    P1.2            ；選擇從機(jī)
MOV   R1,#08H        ；置循環(huán)次數(shù)
MOV   A,R0           ；8位數(shù)據(jù)送累加器ACC
SPIOUT1：CLR  P1.1   ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0
NOP                   ；延時(shí)
NOP
RLC  A               ；左移至累加器ACC最高位至C
MOV   P1.0，C        ；進(jìn)位C送從機(jī)輸入SPISI線上
SETB   P1.1           ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1
DJNZ   R1,SPIOUT1   ；判是否循環(huán)8次（8位數(shù)據(jù)）
RET
3.3 MCU串行輸入/輸出子程序SPIIO
將MCS-51單片機(jī)R0寄存器的內(nèi)容傳送到X25F008的SPI SI中，同時(shí)從X25F008的SPI SO接收8位數(shù)據(jù)的程序如下：
SPIIO：SETB  P1.1  ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1
CLR    P1.2        ；選擇從機(jī)
MOV   R1，#08H   ；置循環(huán)次數(shù)
MOV   A，R0      ；8位數(shù)據(jù)送累加器ACC
SPIIO1：CLR  P1.1  ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0
NOP                ；延時(shí)
NOP
MOV  C，P1.3      ；從機(jī)輸出SPISO送進(jìn)位C
RLC   A          ；左移至累加器ACC最高位至C
MOV  P1.0，C     ；進(jìn)位C送從機(jī)輸入
SETB  P1.1        ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1
DJNZ  R1，SPIIO1 ；判斷是否循環(huán)8次（8位數(shù)據(jù)）
RET

4 結(jié)束語

本文介紹了通過SPI總線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法，給出了用MCS-51單片機(jī)匯編語言模擬SPI串行總線的輸入、輸出，輸入/輸出以傳送8位數(shù)據(jù)的子程序。實(shí)際上，也可以根據(jù)SPI串行總線的操作時(shí)序特點(diǎn)來在MCS-96系列、ATMEL89系列等單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)SPI總線的接口。