單片機(jī)SPI通信中數(shù)據(jù)流的同步問題研究

    SPI是串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Intcrface)的縮寫，通常稱為“同步外設(shè)接口”，是由Motorola公司開發(fā)的全雙工同步串行總線。該總線大量用在微處理器及其外設(shè)器件的通信中。與SPI有關(guān)的軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，使CPU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)?，F(xiàn)在，越來越多的單片機(jī)帶有SPI，采用SPI的外圍芯片也與日俱增。采用SPI通信可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)．提高電路可靠性，降低系統(tǒng)成本。

1 SPI通信的基本方式
    SPI通信總線定義了以下4個(gè)接口信號(hào)。
    ◇SIMO：從入／主出。
    ◇SOMI：從出／主入。
    ◇SCK：串行時(shí)鐘。
    ◇SS：從屆選擇(在有些芯片中定義為STE信號(hào))。
    SPI通信有三線SPI和四線SPI兩種模式。在三線SPI模式下，從屬選擇信號(hào)SS／STE不起作用；采用四線SPI模式時(shí)，SS／STE信號(hào)為高電平時(shí)禁止從機(jī)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，SS／STE信號(hào)為低電平時(shí)允許從機(jī)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。SPI通信足一種基于主一從配置的通信，提供串行時(shí)鐘信號(hào)的—方是主機(jī)，其他的為從機(jī)。圖l為2種通信模式下2臺(tái)單片機(jī)之間的連接圖。如果一個(gè)系統(tǒng)中有多臺(tái)從機(jī)，那么主機(jī)就要為每一臺(tái)從機(jī)提供一個(gè)從屬選擇信號(hào)，以確保任一時(shí)刻只有一臺(tái)從機(jī)起作用。

    在SPI通信中，數(shù)據(jù)是同步發(fā)送和接收的。在串行時(shí)鐘信號(hào)的作用下，主機(jī)在通過SIMO信號(hào)線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，也在通過SOMI信號(hào)線接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；從機(jī)在通過SIMO信號(hào)線接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，也在通過SOMI信號(hào)線向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。Motorola公司沒有定義任何通用SPT的時(shí)鐘規(guī)范，但是所有具有SPI功能的單片機(jī)中，都可以通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器來設(shè)置時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。對(duì)時(shí)鐘極性的設(shè)置決定了靜止時(shí)SPI串行時(shí)鐘的有效狀態(tài)，而對(duì)時(shí)鐘相位的設(shè)置則規(guī)定了處理器在何時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。之所以如此，是為了適應(yīng)不同外設(shè)和線路的需要，因?yàn)橛行┩庠O(shè)在時(shí)鐘信號(hào)的上升滑鎖存數(shù)據(jù)，而有些外設(shè)則在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿鎖存數(shù)據(jù)。
    SPI傳輸串行數(shù)據(jù)時(shí)，首先傳輸數(shù)據(jù)的最高位。波特率可以達(dá)到幾Mbps，實(shí)際速度不僅取決于SPI硬件，而且還受到軟件設(shè)計(jì)的約束。

2 數(shù)據(jù)流的同步
    同步串行通信的基本特點(diǎn)是：同步串行通信是以字符塊為信息單位傳送的，而每幀信息包含成百上千個(gè)字符，因此，數(shù)據(jù)傳送一旦開始，就要求每幀信息內(nèi)部的每一位都要同步。也就是說，不僅字符內(nèi)部的位傳送是同步的，而且字符與字符之間的傳送也必須是同步的，這樣才能保證收／發(fā)雙方對(duì)每一位都同步。顯然，這種通信方式對(duì)時(shí)鐘同步要求非常嚴(yán)格。為此，收／發(fā)兩端必須使用同一時(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)塊傳輸中字符與字符、字符內(nèi)部位與位之間的同步。
    不論以何種方式進(jìn)行通信，都必須制定一個(gè)通信協(xié)議。SPI通信也不例外。通信協(xié)議通?？梢员环譃?個(gè)部分：語法、語義和定時(shí)關(guān)系。這3部分分別規(guī)定了通信雙方“如何講”、“講什么”以及“何時(shí)講”的問題。
    同步通信的通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單。通常在數(shù)據(jù)塊的前面冠以同步字符，在數(shù)據(jù)塊的結(jié)尾加上差錯(cuò)控制字符就構(gòu)成了同步通信的一幀數(shù)據(jù)。通過選擇工作模式，設(shè)置波特率、時(shí)鐘極性和相位以及軟件的設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的同步。
    在雙機(jī)或一臺(tái)單片機(jī)與一片外圍芯片的SPl通信中常選擇三線模式}而在多方SPI通信中則通常使用四線SPI模式，這時(shí)SS／STE信號(hào)線用來對(duì)從機(jī)進(jìn)行選擇。在一主多從的SPI通信中，主機(jī)必須為每一臺(tái)從機(jī)或外圍芯片提供一個(gè)SS／STE信號(hào)。使得任一時(shí)刻只有一臺(tái)從機(jī)或外圍芯片起作用。如果所有的從機(jī)都只從主機(jī)接收數(shù)據(jù)，而不向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么也可以使用三線SPI模式。SS／STE信號(hào)也可以用來對(duì)主機(jī)進(jìn)行選擇，不過通信將變得很復(fù)雜。選擇正確的工作模式是進(jìn)行可靠的SPI通信的前提。
    SPI通信是在主機(jī)提供的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的，設(shè)置波特率就是設(shè)置主機(jī)提供的時(shí)鐘信號(hào)的頻率。因此，波特率的設(shè)置就顯得相當(dāng)重要。需要多方考慮。單片機(jī)與其外圍器件進(jìn)行通信時(shí)，一次可能只發(fā)送1個(gè)或2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，可以把波特率設(shè)得高一些，只要不超過硬件允許的范圍即可。如果是兩臺(tái)單片機(jī)之間進(jìn)行通信，那么每次傳送的往往是一組數(shù)據(jù)，否則就失去了同步通信的意義。這種情況下，就必須考慮接收數(shù)據(jù)一方的運(yùn)行速度。因?yàn)闊o論是采用查詢還是中斷方式接收數(shù)據(jù)，每收到1個(gè)字節(jié)或1個(gè)字的數(shù)據(jù)后，接收方的單片機(jī)就必須從接收緩沖寄存器中取一次數(shù)據(jù)。這個(gè)過程必須在下一個(gè)字節(jié)或字傳送完畢前結(jié)束。也就是說，處理時(shí)間不能超過8個(gè)或16個(gè)串行時(shí)鐘周期；否則，將會(huì)發(fā)生溢出錯(cuò)誤。例如，完成這個(gè)過程需要4μs，當(dāng)接收緩沖寄存器為8位時(shí)，串行時(shí)鐘的波特率就不能超過2 Mbps；當(dāng)接收緩沖寄存器為16位時(shí)，串行時(shí)鐘的波特率就不能超過4 Mbps。有的單片機(jī)片內(nèi)RAM有限，沒有足夠的RAM空間用來保存中間數(shù)據(jù)，每收到1個(gè)字節(jié)或字的數(shù)據(jù)就必須處理一次。這樣一來，串行時(shí)鐘的波特率就需要設(shè)置得更低。
    當(dāng)單片機(jī)與其外圍芯片進(jìn)行SPI通信時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)外圍芯片的時(shí)序來設(shè)置串行時(shí)鐘的極性和相位。例如，某芯片在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿接收SPI線上的數(shù)據(jù)，那么主機(jī)就必須采用無延時(shí)的下降沿或有延時(shí)的上升沿時(shí)鐘方式來發(fā)送SPI數(shù)據(jù)。當(dāng)兩臺(tái)單片機(jī)之間進(jìn)行SPI通信時(shí)，雙方對(duì)時(shí)鐘信號(hào)極性和相位的設(shè)置必須相同。
    在硬件連接方面，需要引起注意的問題是上電復(fù)位后引腳SS／STE上信號(hào)的極性。如果上電復(fù)位后，引腳SS／STE上為低電平，則有可能收到1位偽數(shù)據(jù)。在四線SPI模式下，如果在從機(jī)的SS／STE引腳上接一個(gè)上拉電阻，就可以避免這種情況的發(fā)生。
    如果在通信過程中，出現(xiàn)串行時(shí)鐘信號(hào)丟失或干擾，將造成數(shù)據(jù)流的不同步，通信的各方就收不到正確的數(shù)據(jù)。所渭“數(shù)據(jù)流不同步”是指數(shù)據(jù)的比特位發(fā)生了偏移。例如，發(fā)送的數(shù)據(jù)是0xA9和0x36，但是收到的卻是Ox52和0x6C，數(shù)據(jù)向右移了一位。一旦發(fā)生這種錯(cuò)誤，僅靠硬件是無法糾正的，若不在軟件中采取措施，則將一直錯(cuò)下去，永遠(yuǎn)收不到正確的數(shù)據(jù)。
    采用軟件糾錯(cuò)的關(guān)鍵在于找出偏移的位數(shù)，然后據(jù)此采取措施，得到正確的結(jié)果。一般說來，在通信數(shù)據(jù)中包含了一些特殊字符，用于標(biāo)志數(shù)據(jù)流的開始和終止。處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先尋找這些特殊字符。如果不能發(fā)現(xiàn)這些特殊字符，就說明數(shù)據(jù)發(fā)生了偏移，需要進(jìn)行糾錯(cuò)處理。具體的處理辦法如下：假設(shè)數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，用前一個(gè)數(shù)據(jù)的后N位和后一個(gè)數(shù)據(jù)的前(8-N)位重新組成一個(gè)新的數(shù)據(jù)。其中，1≤N≤7。改變N的值，直到從重組的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)特殊字符為止。此時(shí)的N值就是數(shù)據(jù)流發(fā)生偏移的位數(shù)，然后根據(jù)這個(gè)值對(duì)所收到的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，就可以得到正確的結(jié)果。與此同時(shí)，如果還要發(fā)送數(shù)據(jù)，就要對(duì)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)進(jìn)行類似的處理。因?yàn)槿绻ㄐ诺囊环绞盏降臄?shù)據(jù)發(fā)生偏移，那么另一方收到的數(shù)據(jù)肯定也發(fā)生了相同的偏移。
    通常要求系統(tǒng)上電復(fù)位后，從機(jī)先于主機(jī)開始工作。如果從機(jī)在主機(jī)之后開始工作，就有可能丟掉部分時(shí)鐘信號(hào)，使得從機(jī)并不是從數(shù)據(jù)的第一位開始接收，造成數(shù)據(jù)流的不同步。可通過硬件延時(shí)或軟件延時(shí)的方法，來確保從機(jī)先于主機(jī)工作。

3 實(shí)例
    現(xiàn)在以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A和單片機(jī)MSP430F135為例，說明如何確保SPI通信中數(shù)據(jù)流的同步。這里采用三線SPI模式，TMS320LF2407A設(shè)置為主機(jī)，MSP430F135設(shè)置為從機(jī)；雙方的時(shí)鐘極性和相位都設(shè)置為無延時(shí)的上升沿。TMS320LF2407A的主頻為40 MHz，采用定時(shí)發(fā)送／接收數(shù)據(jù)的方式工作，每間隔800μs發(fā)送一個(gè)字節(jié)，波特率為200 kHz。這樣設(shè)置的原因是，MSP430F135的主頻為8 MHz，片內(nèi)的RAM只有512字節(jié)，沒有足夠的RAM用于保存中間數(shù)據(jù)，每接收一個(gè)字節(jié)就得進(jìn)行一次處理，所以必須留有足夠的時(shí)間給MSP430F135進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。每一輪發(fā)送132字節(jié)，由4個(gè)引導(dǎo)字符0xFF加上128字節(jié)的數(shù)據(jù)組成。MSP430F135采用中斷的方式接收／發(fā)送數(shù)據(jù)。
    以下是用匯編語言編寫的TMS320LF2407A的SPI通信初始化子程序：

   
    下面是用C語言編寫的MSP430F135的SPI通信初始化子程序：

   
    在MSP430F135的接收數(shù)據(jù)處理程序中還包含了防止數(shù)據(jù)流發(fā)生偏移的措施，實(shí)現(xiàn)方法與前文所述相同。圖2是接收數(shù)據(jù)處理程序的流程圖。

    上述程序是電鍍用開關(guān)電源控制程序的一部分。DSP控制器TMS320LF2407A負(fù)責(zé)主電路的控制；單片機(jī)MSP430F135作為輔助控制器，負(fù)責(zé)鍵盤和液晶顯示器的控制。兩個(gè)微控制器之間通過SPI通信交換信息。實(shí)際應(yīng)用表明，采用這種方法進(jìn)行SPI通信是可靠的。

4 結(jié)論
    SPI通信具有硬件連接簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。采取硬件和軟件相結(jié)合的措施，可以確保SPI通信中數(shù)據(jù)流的同步，實(shí)現(xiàn)可靠通信。通過電鍍用開關(guān)電源中數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A和MSP430F135單片機(jī)之間SPI通信的實(shí)例，驗(yàn)證了文中提出的三線模式SPI通信中，防止和糾正比特位發(fā)生偏移的方法的有效性。