ARM與射頻芯片TRF796x的SPI通信研究

摘要：針對SPI總線接口缺乏標準協(xié)議的特點，提出了SPI器件之間通信的一般方法。論文闡述了ARM芯片內(nèi)置SPI硬件控制器的工作原理和時序，并對射頻芯片TRF7960x的工作模式與讀寫要求進行了分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)TRF796x的時序特性和訪問要求，采用ARM芯片的硬件 SPI方式實現(xiàn)對TRF796x的讀寫訪問與控制，并在RFID門禁系統(tǒng)中驗證了通信結(jié)果。
關(guān)鍵詞：SPI；ARM；TRF796x；時序

引言
    SPI(同步串行外圍接口)是由Motorola公司最早提出的，出現(xiàn)在其M68系列單片機中。它是一種全雙工的同步串行接口，采用主一從模式架構(gòu)，支持多Slave模式應(yīng)用，但一般僅支持單Master。由于其簡單實用，又不牽涉到專利問題，因此許多廠家的設(shè)備都支持該接口，被廣泛應(yīng)用于外設(shè)控制領(lǐng)域。 SPI接口是一種事實標準，并沒有標準協(xié)議，大部分廠家都是參照Motorola公司的SPI接口定義來設(shè)計的。正因為沒有確切的標準協(xié)議，不同廠家的 SPI器件接口在技術(shù)上存在著一定的差異，有的甚至無法直接互連。本文對SPI器件通信時容易忽略的問題進行了分析。

1 S3C2440A內(nèi)置SPI接口與工作時序
    S3C2440A是Samsung公司生產(chǎn)的ARM9內(nèi)核芯片，該芯片內(nèi)置了2個SPI硬件控制器，大大簡化了與SPI器件的通信。從 Samsung公司提供的Datasheet中可以看出，其內(nèi)置硬件SPI結(jié)構(gòu)主要由4部分構(gòu)成：時鐘分頻器、8位發(fā)送移位寄存器、8位接收移位寄存器、控制邏輯等。其與SPI接口相關(guān)的寄存器包括控制寄存器(SPCONn)、狀態(tài)寄存器(SPSTAn)、引腳控制寄存器(SPPINn)、預分頻寄存器 (SPPREn)、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(SPTDATn)、接收數(shù)據(jù)寄存器(SPRDATn，n=0，1)。其SPI接口共有4根信號線，分別是從設(shè)備選擇線(SS)、時鐘線(SCK)、串行輸出數(shù)據(jù)線(MO-SI)、串行輸入數(shù)據(jù)線(MISO)。當S3C2440A作為Master時，SS信號由S3C2440A驅(qū)動輸出，用于選擇激活某從 SPI器件，只有當SS信號線為低電平時，對應(yīng)Slave設(shè)備的SPI接口才處于工作狀態(tài)。為了滿足不同SPI器件的通信特性，S3C2440A內(nèi)置的 SPI接口定義了4種數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鲿r序，這4種時序是由控制寄存器(SPCONn)的時鐘極性控制位(CPOL)和時鐘相位控制位(CPHA)聯(lián)合進行配置的。從表1可以看出，SPI的工作時序主要是根據(jù)數(shù)據(jù)采樣的時刻(上升沿或下降沿)，以及在沒有數(shù)據(jù)傳輸時SCK信號所保持的狀態(tài)來劃分模式的。


    根據(jù)CPOL和CPHA設(shè)置的不同，S3C2440A內(nèi)置SPI接口的4種工作時序如圖1所示。需要注意的是，SPI通信的數(shù)據(jù)傳輸是以字節(jié)為單位進行的，且高位在前，低位在后，圖1中的*LSB表示上一個傳輸字節(jié)的最低位，MSB*是指下一個傳輸字節(jié)的最高位。

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2 射頻芯片TRF796x
    TRF796x是德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的射頻讀寫器芯片，是一個13．56 MHz集成模擬前端和數(shù)據(jù)幀RFID閱讀系統(tǒng)。其內(nèi)部可編程配置，外部控制器可直接訪問其內(nèi)部寄存器來調(diào)整讀寫器的各種參數(shù)，該芯片被廣泛應(yīng)用于近距離RFID系統(tǒng)。
    TRF796x芯片與處理器之間的通信既可以通過8位并行口也可以通過SPI接口。當采用SPI接口時，TRF796x芯片總是以從設(shè)備運行。如果內(nèi)部的硬件編／解碼器被使用，TRF796x將啟動12個字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖器FIFO來完成數(shù)據(jù)的傳送和接收。有時候為了使處理器(如MCU)能實時的處理數(shù)據(jù)，TRF796x會旁路掉硬件編／解碼器，采用直接傳送和接收功能。TRF796x芯片的兩種通信模式是相互排斥的，在應(yīng)用中的某個時刻只能有一種通信方式被使用。表2中列出了TRF796x的通信方式，可以看出，要實現(xiàn)其SPI通信就必須先對引腳I／00～I／O2配置成不同的電平。當芯片被使能工作時就會檢測這3個引腳的電平，從而進入相應(yīng)的通信方式。


    當選擇了SPI帶SS通信方式，SS信號為高時SPI處于復位狀態(tài)。只有SS信號為低時，時鐘信號才開始工作，串行數(shù)據(jù)輸入(MOSI)在上升沿采樣，在下降沿確認生效，當SS信號變?yōu)楦唠娖綍r，通信終止。TRF796x的寫操作通信如圖2所示。


    TRF796x的單個寄存器讀操作包括一個寫周期和一個讀周期，在寫周期過程中，MISO引腳上是無效的數(shù)據(jù)，其時序與寫操作相同，也是上升沿采樣，下降沿確認生效。在寫周期和讀周期之間，需要有半個時鐘周期的極性轉(zhuǎn)換時間。注意：對于任何讀操作(單個讀、連續(xù)讀)來說，該時鐘極性跳變必須被執(zhí)行，否則不能夠讀到TRF796x寄存器的正確值。在讀周期過程中，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，上升沿時確認生效，而MOSI引腳不應(yīng)該有任何的跳變，就是說要始終保持高電平或低電平(即0x00或0xFF)。圖3是TRF796x的讀操作時序。


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3 ARM與TRF796x通信的實現(xiàn)
    S3C2440A的SPI接口傳輸方式有查詢、中斷、DMA三種，由于TRF796x有專門的IRQ中斷引腳，所以本文選擇ARM芯片 SPI接口的查詢方式。S3C2440A作為Master，時鐘頻率通過SPPREn寄存器設(shè)置，其頻率f=PCLK／[2(SPPREn的值+1)]，f≤25 MHz?？刂萍拇嫫鱏PCONn應(yīng)該根據(jù)具體的通信要求來設(shè)置。
    對TRF796x的訪問需要區(qū)分是寫地址還是寫命令，字節(jié)的最高位(MSB)決定了該指令是用于命令還是地址。具體的地址／命令字節(jié)位描述如表3所列。


    從表3可以看出，如果是單個寫寄存器操作，則發(fā)送字節(jié)最高3位為000；如果是連續(xù)寫寄存器操作，則最高3位001；如果是讀單個寄存器操作，則最高3位010；如果是寫命令，則最高3位100；其他操作不再詳述。
    本文采用S3C2440A的SPI0接口與TRF796x通信，其連接圖如圖4所示。從I／O_0～I／O_2的引腳電平可以看出選擇的是SPI帶SS通信方式。其中，EN腳是TRF796x的工作使能引腳，I／O_4是SS腳。當SS置為低且查詢到狀態(tài)寄存器SPSTA0的最低位為1(說明SPI發(fā)送接收準備好)，待發(fā)送的數(shù)據(jù)一旦寫入到發(fā)送移位寄存器SPTDAT0中，SPI通信的發(fā)送和接收就會同時開始，一般是上升沿發(fā)送，下降沿接收。如果只想發(fā)送不想接收數(shù)據(jù)，可以不讀取接收寄存器的內(nèi)容；值得注意的是，如果只想接收數(shù)據(jù)，應(yīng)該寫數(shù)據(jù)0xFF或0x00到發(fā)送移位寄存器，然后才能從接收移位寄存器中讀取數(shù)據(jù)。


    下面通過非連續(xù)寄存器讀操作來具體說明ARM與TRF796x是如何進行SPI通信的。圖5是對TRF796x的非連續(xù)寄存器讀操作的流程。


    整個讀操作流程是：
    ①初始化操作，置EN腳為高電平使能TRF796x工作，將GPE11～GPE13配置成SPI功能，配置S3C2440A作為Master，且選擇查詢工作方式，寫SPPREN0寄存器來配置通信時鐘頻率。[!--empirenews.page--]
    ②寫地址，從圖1和圖3的時序可以看出，要讀TRF796x的寄存器值，必須包含一個寫地址周期和一個讀數(shù)據(jù)周期。在寫TRF796x的地址之前，必須先設(shè)置SPCON0的CPOL和CPHA都為O，這樣通信雙方的時序才能保持一致，而且要將地址字節(jié)的最高3位設(shè)為010，然后將地址字節(jié)寫入發(fā)送移位寄存器SPTDAT0中，一旦地址字節(jié)發(fā)送完，TRF796x就會把相應(yīng)地址的內(nèi)容送到MISO腳上。
    ③讀數(shù)據(jù)，在地址字節(jié)寫入后，讀數(shù)據(jù)之前，必須轉(zhuǎn)換SCK的時鐘極性，從圖1可以看出，需要設(shè)置CPOL為0，CPHA為1，這樣就滿足了TRF796x的讀時序要求。寫數(shù)據(jù)0x00或0xFF到SPTDAT0中，接著就可以從SPRDAT0中讀取數(shù)據(jù)。
    非連續(xù)讀操作的實現(xiàn)代碼如下：


    為了驗證上述的程序，在按照圖4連接電路后，可以選擇讀取TRF7960的09h、0Ah、0Bh寄存器單元的內(nèi)容，這3個寄存器在系統(tǒng)上電時，分別默認內(nèi)容為0x11、0x40、0x87。定義一個數(shù)組 Operation[O]=0x09；Operation[1]=0x0A；Operation[2]=0x0B；調(diào)用函數(shù) SingleRead(Operation，3)；即可得到3個寄存器的內(nèi)容并存放在Operation數(shù)組中。在RFID門禁系統(tǒng)的開發(fā)中，就是采用了這種SPI通信方式實現(xiàn)了ARM對RFID閱讀器芯片的訪問控制。

結(jié)語
    本文通過介紹ARM芯片與TRF796x之間的硬件SPI通信方式，說明了在進行SPI器件之間通信時應(yīng)該注意的問題，強調(diào)工作時序在通信時的重要性，最后給出的程序在RFID門禁系統(tǒng)中得到了運用。論文研究對ARM與其他SPI器件之間的通信有一定的參考意義，只要根據(jù)SPI器件的工作時序進行稍加修改就能融會貫通。