基于單片機(jī)SPI器件的串口控制

摘要：集成電路設(shè)計(jì)越來越向系統(tǒng)級(jí)的方向發(fā)展，并且越來越強(qiáng)調(diào)模塊化的設(shè)計(jì)。SPI總線是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口，容許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信、交換信息。在此簡(jiǎn)述了SPI總線的特點(diǎn)，介紹了它的四條信號(hào)線及SPI串行總線接口的典型應(yīng)用。重點(diǎn)描述SPI串行總線接口在DA芯片中的應(yīng)用，并給出用C語言描述實(shí)現(xiàn)該接口通信的部分程序。該程序已經(jīng)在AT89C2051中進(jìn)行驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：SPI；串口控制；AD7390；單片機(jī)

0 引 言
    串行外設(shè)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(yīng)用于移位寄存器、D／A轉(zhuǎn)換器、A／D轉(zhuǎn)換器、串行E2PROM、LED顯示驅(qū)動(dòng)器等外部設(shè)備的擴(kuò)展。SPI接口可以共享，便于組成帶多個(gè)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(kuò)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(kuò)展芯片之間的串行連接，現(xiàn)已發(fā)展成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，各半導(dǎo)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，F(xiàn)LASH ROM，A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、LED&LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、I／0接口芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、UART收發(fā)器等，為用戶的外圍擴(kuò)展提供了極其靈活而價(jià)廉的選擇。由于SPI總線接口只占用微處理器四個(gè)I／O口線，故采用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。目前，已有部分廠家的單片機(jī)具有SPI接口，如Philips的P89LPC900，Atmel的Atmega128等，但是，大部分單片機(jī)不支持SPI接口。在實(shí)際應(yīng)用中，出于產(chǎn)品體積、成本和可擴(kuò)展性等方面的考慮，設(shè)計(jì)人員往往希望使用不具備SPI接口的單片機(jī)來控制具備SPI接口的外圍器件?，F(xiàn)以AT89C2051單片機(jī)模擬SPI總線操作串行AD7390為例，如圖1所示，介紹利用單片機(jī)的I／O口通過軟件模擬SPI總線的實(shí)現(xiàn)方法。

    SPI使用的四條線是串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入從機(jī)輸出線(MISO)、主機(jī)輸出從機(jī)輸入線(MOSI)、低電平有效的使能信號(hào)線(CS)。這樣，僅需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI接口的各種I／O器件。
    SPI 總線具有以下特點(diǎn)：
    (1)因連線較少，可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。并行總線擴(kuò)展方法通常需要8根數(shù)據(jù)線、8～16根地址線、2～3根控制線。而SPI總線設(shè)計(jì)，僅需4根數(shù)據(jù)線和控制線即可完成并行擴(kuò)展所實(shí)現(xiàn)的功能。
    (2)器件統(tǒng)一編址，并與系統(tǒng)地址無關(guān)，操作SPI獨(dú)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。

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2 AD7390的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
    AD7390是ADl公司生產(chǎn)的12位分辨率電壓輸出數(shù)／模轉(zhuǎn)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(shí)消耗不到100mA的電流，所以該器件適用于一些對(duì)功效要求高的設(shè)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(nèi)部框圖如圖2所示。

    內(nèi)部雙緩沖串行數(shù)據(jù)接口提供高速轉(zhuǎn)換，微控制器通過三線SPI控制器件、串行數(shù)據(jù)(SDI)、時(shí)鐘(CLK)和使能(LD)引腳。此外，使用CLR輸入可以對(duì)輸出清零。操作時(shí)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(hào)，再由MCU控制AD7390，完成整個(gè)設(shè)置過程。通過串口控制AD7390的軟件流程如圖4所示。一旦有數(shù)據(jù)寫入單片機(jī)，則單片機(jī)將重新設(shè)置AD7390。

    單片機(jī)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(chǎn)生CLK，LD，并在CLK的上升沿到來之前，保證SDI數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，以便AD7390準(zhǔn)確地采集到數(shù)據(jù)。CLK時(shí)鐘的頻率根據(jù)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(shí)鐘應(yīng)該不一樣。
    串口接收模塊完成從電腦接收數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)。由一片MAX 232完成RS 232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。因?yàn)閭鬏數(shù)氖沁B續(xù)性數(shù)據(jù)，因此在接收程序的編寫時(shí)，要注意中斷申請(qǐng)的屏蔽，才能準(zhǔn)確地接收到全部數(shù)據(jù)。
    在利用串口調(diào)試助手調(diào)試時(shí)，留意發(fā)送數(shù)據(jù)的格式，是否以16進(jìn)制發(fā)送，會(huì)影響接收到的數(shù)據(jù)。比如，發(fā)送字母“E”，如果以16進(jìn)制發(fā)送。發(fā)送的實(shí)際數(shù)據(jù)是“15”，而接收到的數(shù)據(jù)是“15”的ASCII碼“49”、“53”；如果不以16進(jìn)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(shù)據(jù)，則需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換可參看后面的程序。[!--empirenews.page--]
    操作信息反饋模塊完成操作結(jié)果的可視化輸出，通過內(nèi)部計(jì)算，輸出設(shè)置的電壓值，這為調(diào)試過程提供了很大的便利。
    AD7390為12位數(shù)／模轉(zhuǎn)換器。該器件接收16位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如圖5所示，取低12位作為有效數(shù)據(jù)，自動(dòng)舍棄高4位。因?yàn)閱纹瑱C(jī)傳輸數(shù)據(jù)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：