單片機(MCU)系統(tǒng)為了與SPI標(biāo)準(zhǔn)外圍接口器件進行通信，必須使用SPI( Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口)總線。SPI總線系統(tǒng)是Motorola提出的一種同步串行外設(shè)接口，有信號線少、協(xié)議簡單、傳輸速度快的特點，因此有不少外圍器件都采用SPI總線，如Flash RAM、A/ D轉(zhuǎn)換器、LED顯示器、MCU以及計算機網(wǎng)絡(luò)等。MCU中的SPI接口通過配置可與各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接連接。
對于那些沒有SPI接口功能的MCU來說，SPI接口的功能靠軟件控制MCU的I/O口的方法來模擬。不過，用軟件來模擬SPI接口的功能，工作速度非常慢，并且需要主從器件的軟件之間配合得非常好。如果在單片機芯片內(nèi)部用硬件電路來完成SPI接口功能，在硬件增加不多的情況下，能夠極大地提高傳輸速度(最高頻率可達主器件的頻率的1/4)，減輕軟件的負擔(dān)，使用極為方便。
SPI接口工作的時候，沒有應(yīng)答信號，并且數(shù)據(jù)在發(fā)送的時候無需校驗位，所以，要求主從器件的軟件必須完全符合SPI的時序要求，否則數(shù)據(jù)傳輸很容易出現(xiàn)錯誤。本文通過MCU中SPI接口模塊的設(shè)計，分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N出錯情況，并針對各種情況，增強SPI接口的錯誤處理能力。
1 SPR設(shè)定錯誤
在從器件時鐘頻率小于主器件時鐘頻率時，如果SCK的速率設(shè)得太快，將導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)不正確(SPI接口本身難以判斷收到的數(shù)據(jù)是否正確，要在軟件中處理)。
整個系統(tǒng)的速度受三個因素影響：主器件時鐘CLK主、從器件時鐘CLK從和同步串行時鐘SCK，其中SCK是對CLK主的分頻，CLK從和CLK主是異步的。要使SCK無差錯無遺漏地被從器件所檢測到，從器件的時鐘CLK從必須要足夠快。下面以SCK設(shè)置為CLK主的4分頻的波形為例，分析同步串行時鐘、主時鐘和從時鐘之間的關(guān)系。
圖1主從時鐘和SCK的關(guān)系
如圖1所示，當(dāng)T從
圖2中，當(dāng)T從≥TSCK/2=2T主時，在clk_s的兩個上升沿都檢測不到SCK的低電平,這樣從器件就會漏掉一個SCK。在某些相位條件下，即使CLK從僥幸能檢測到SCK的低電平，也不能保證可以繼續(xù)檢測到下一個SCK。只要遺漏了一個SCK，就相當(dāng)于串行數(shù)據(jù)漏掉了一個位，后面繼續(xù)接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)就都是錯誤的了。
圖2主從時鐘和SCK的關(guān)系
根據(jù)以上的分析，SPR和主從時鐘比的關(guān)系如表1所列。
表1SPR的設(shè)置和主從時鐘周期比值之間的關(guān)系
在發(fā)送數(shù)據(jù)之前按照表1對SPR進行設(shè)置，SPR設(shè)定錯誤可以完全避免。
2 模式錯誤(MODF)
模式錯誤表示的是主從模式選擇的設(shè)置和引腳SS的連接不一致。
器件工作在主模式的時候(MSTR=1)，它的片選信號SS引腳必須接高電平。在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，如果它的SS從高電平跳至低電平，在SS的下降沿，SPI模塊將檢測到模式錯誤，對MODF位置1，強制器件從主模式轉(zhuǎn)入從模式(即令MSTR=0)，清空內(nèi)部計數(shù)器counter，并結(jié)束正在進行的數(shù)據(jù)傳輸，如圖3(a)所示。
對從模式(MSTR=0)，在沒有數(shù)據(jù)傳送的時候，SS高電平表示從器件未被選中，從器件不工作，MISO輸出高阻;在數(shù)據(jù)傳輸過程中，片選信號SS必須接低電平，且SS不允許跳變。如果SS從低電平跳到高電平，在SS的上跳沿，SPI模塊也將檢測到模式錯誤，清空內(nèi)部計數(shù)器counter，并結(jié)束正在進行的數(shù)據(jù)傳輸。直到SS恢復(fù)為低電平，重新使SPEN=1時，才重新開始工作，如圖3(b)所示。
圖3模式錯誤的檢測
3 溢出錯誤(OVR)
溢出錯誤表示連續(xù)傳輸多個數(shù)據(jù)時，后一個數(shù)據(jù)覆蓋了前一個數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的錯誤。
狀態(tài)標(biāo)志SPIF表示的是數(shù)據(jù)傳輸正在進行中，它對數(shù)據(jù)的傳輸有較大的影響。主器件的SPIF有效由數(shù)據(jù)寄存器的空標(biāo)志SPTE=0產(chǎn)生，而從器件的SPIF有效則只能由收到的第一個SCK的跳變產(chǎn)生，且又由于從器件的SPIF和主器件發(fā)出的SCK是異步的，因此從器件的傳輸標(biāo)志SPIF從相對于主器件的傳輸標(biāo)志SPIF主有一定的滯后。如圖4所示，在主器件連續(xù)發(fā)送兩個數(shù)據(jù)的時候?qū)⒂锌赡軐?dǎo)致從器件的傳輸標(biāo)志和主器件下一個數(shù)據(jù)的傳輸標(biāo)志相重疊(圖4中虛線和陰影部分)，第一個收到的數(shù)據(jù)必然被覆蓋，第二個數(shù)據(jù)的收/發(fā)也必然出錯，產(chǎn)生溢出錯誤。
圖4溢出錯誤
通過對從器件的波形分析發(fā)現(xiàn)，counter=8后的第一個時鐘周期，數(shù)據(jù)最后一位的傳輸已經(jīng)完成。在數(shù)據(jù)已經(jīng)收/發(fā)完畢的情況下，counter=8狀態(tài)的長短對數(shù)據(jù)的正確性沒有影響，因此可以縮短counter=8的狀態(tài)，以避免前一個SPIF和后一個SPIF相重疊。這樣，從硬件上避免了這一階段的溢出錯誤。
但是，如果從器件工作速度不夠快或者軟件正在處理其他事情，在SPI接口接收到的數(shù)據(jù)尚未被讀取的情況下，又接收到一個新的數(shù)據(jù)，溢出錯誤還是會發(fā)生的。此時，SPI接口保護前一個數(shù)據(jù)不被覆蓋，舍棄新收到的數(shù)據(jù)，置溢出標(biāo)志OVR=1;另外發(fā)出中斷信號(如果該中斷允許)，通知從器件及時讀取數(shù)據(jù)。
4 偏移錯誤(OFST)
SPI接口一般要求從器件先工作，然后主器件才開始發(fā)送數(shù)據(jù)。有時在主器件往外發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，從器件才開始工作，或者SCK受到外界干擾，從器件未能準(zhǔn)確地接收到8個SCK。如圖5所示，從器件接收到的8個SCK其實是屬于主器件發(fā)送相鄰的兩個數(shù)據(jù)的SCK主。這時，主器件的SPIF和從器件的SPIF會發(fā)生重疊，數(shù)據(jù)發(fā)生了錯位，從器件如果不對此進行糾正的話，數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送便一直地錯下去。
圖5偏移錯誤
在一個數(shù)據(jù)的傳輸過程中，SPR是不允許改變的，即SCK是均勻的，而從圖5可以看出，從器件接收到的8個SCK并不均勻，它們是分別屬于兩個數(shù)據(jù)的，因此可以計算SCK的占空時間來判斷是否發(fā)生了偏移錯誤。經(jīng)分析，正常時候SCK=1時的時鐘周期數(shù)n的取值滿足如下關(guān)系：
但由于主從時鐘之間是異步的，并且經(jīng)過了取整，所以正常時候SCK=1時的時鐘周期計數(shù)值COUNT應(yīng)滿足：
比如在圖5中，COUNT的最大值COUNT(max)=2或者1，都可認為是正常的。但當(dāng)出現(xiàn)COUNT(max)=8時，可以判定出現(xiàn)了偏移錯誤。在實際設(shè)計中，先記錄下第一個COUNT(max)的值，如果后面又出現(xiàn)與記錄值相差1以上的COUNT(max)出現(xiàn)，可知有偏移錯誤OFST
發(fā)生。SPI接口在“不均勻”的地方令SPIF=1，然后準(zhǔn)備等待下一個數(shù)據(jù)的第一個SCK。其中COUNT的位數(shù)固定為8位，為了避免溢出時重新從00H開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)達到ffH時停止計數(shù)。
5 其他錯誤
設(shè)定不當(dāng)，或者受到外界干擾，數(shù)據(jù)傳輸難免會發(fā)生錯誤，或者有時軟件對錯誤的種類判斷不清，必須要有一種方法強制SPI接口從錯誤狀態(tài)中恢復(fù)過來。在SPI不工作，即SPEN=0的時候，清除SPI模塊內(nèi)部幾乎所有的狀態(tài)(專用寄存器除外)。如果軟件在接收數(shù)據(jù)的時候，能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有錯誤，無論是什么錯誤，都可以強制停止SPI的工作，重新進行數(shù)據(jù)傳輸。例如，在偏移錯誤(OFST)中，如果SPR2、SPR1和SPR0的設(shè)置適當(dāng)，也可以使SCK顯得比較“均勻”。SPI接口硬件本身不可能檢測到有錯誤，若用戶軟件能夠發(fā)現(xiàn)錯誤，這時就可以強制停止SPI的傳輸工作，這樣就可以避免錯誤一直持續(xù)下去。
結(jié)語
本文對SPI接口之間數(shù)據(jù)傳輸中各種出錯情況進行分析，并對SPI接口處理錯誤的能力進行增強。對一些傳輸錯誤，SPI接口可以檢測出來，通過對各種錯誤狀態(tài)寄存器進行置位，并做相應(yīng)的處理解決。但是有些錯誤由硬件本身造成，是檢測不到的。因此，在應(yīng)用中，如果對數(shù)據(jù)的正確性要求較高，除了要在軟件上滿足SPI接口的時序要求外，還需要在軟件上作適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>
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