SPI接口的出錯(cuò)分析及其改進(jìn)

單片機(jī)(MCU)系統(tǒng)為了與SPI標(biāo)準(zhǔn)外圍接口器件進(jìn)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(hào)線少、協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸速度快的特點(diǎn)，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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。MCU中的SPI接口通過(guò)配置可與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接連接。

對(duì)于那些沒(méi)有SPI接口功能的MCU來(lái)說(shuō)，SPI接口的功能靠軟件控制MCU的I/O口的方法來(lái)模擬。不過(guò)，用軟件來(lái)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(jī)芯片內(nèi)部用硬件電路來(lái)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(dá)主器件的頻率的1/4)，減輕軟件的負(fù)擔(dān)，使用極為方便。

SPI接口工作的時(shí)候，沒(méi)有應(yīng)答信號(hào)，并且數(shù)據(jù)在發(fā)送的時(shí)候無(wú)需校驗(yàn)位，所以，要求主從器件的軟件必須完全符合SPI的時(shí)序要求，否則數(shù)據(jù)傳輸很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。本文通過(guò)MCU中SPI接口模塊的設(shè)計(jì)，分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N出錯(cuò)情況，并針對(duì)各種情況，增強(qiáng)SPI接口的錯(cuò)誤處理能力。

1 SPR設(shè)定錯(cuò)誤

在從器件時(shí)鐘頻率小于主器件時(shí)鐘頻率時(shí)，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(gè)系統(tǒng)的速度受三個(gè)因素影響：主器件時(shí)鐘CLK主、從器件時(shí)鐘CLK從和同步串行時(shí)鐘SCK，其中SCK是對(duì)CLK主的分頻，CLK從和CLK主是異步的。要使SCK無(wú)差錯(cuò)無(wú)遺漏地被從器件所檢測(cè)到，從器件的時(shí)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(shí)鐘、主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的關(guān)系。

圖1主從時(shí)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(shí)，在clk_s的兩個(gè)上升沿都檢測(cè)不到SCK的低電平,這樣從器件就會(huì)漏掉一個(gè)SCK。在某些相位條件下，即使CLK從僥幸能檢測(cè)到SCK的低電平，也不能保證可以繼續(xù)檢測(cè)到下一個(gè)SCK。只要遺漏了一個(gè)SCK，就相當(dāng)于串行數(shù)據(jù)漏掉了一個(gè)位，后面繼續(xù)接收/發(fā)送的數(shù)據(jù)就都是錯(cuò)誤的了。

圖2主從時(shí)鐘和SCK的關(guān)系

根據(jù)以上的分析，SPR和主從時(shí)鐘比的關(guān)系如表1所列。

表1SPR的設(shè)置和主從時(shí)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(duì)SPR進(jìn)行設(shè)置，SPR設(shè)定錯(cuò)誤可以完全避免。

2 模式錯(cuò)誤(MODF)

模式錯(cuò)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(shí)候(MSTR=1)，它的片選信號(hào)SS引腳必須接高電平。在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)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(cè)到模式錯(cuò)誤，對(duì)MODF位置1，強(qiáng)制器件從主模式轉(zhuǎn)入從模式(即令MSTR=0)，清空內(nèi)部計(jì)數(shù)器counter，并結(jié)束正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，如圖3(a)所示。

對(duì)從模式(MSTR=0)，在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送的時(shí)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(guò)程中，片選信號(hào)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(cè)到模式錯(cuò)誤，清空內(nèi)部計(jì)數(shù)器counter，并結(jié)束正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。直到SS恢復(fù)為低電平，重新使SPEN=1時(shí)，才重新開(kāi)始工作，如圖3(b)所示。

圖3模式錯(cuò)誤的檢測(cè)

3 溢出錯(cuò)誤(OVR)

溢出錯(cuò)誤表示連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，后一個(gè)數(shù)據(jù)覆蓋了前一個(gè)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

狀態(tài)標(biāo)志SPIF表示的是數(shù)據(jù)傳輸正在進(jìn)行中，它對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)⒂锌赡軐?dǎo)致從器件的傳輸標(biāo)志和主器件下一個(gè)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(gè)收到的數(shù)據(jù)必然被覆蓋，第二個(gè)數(shù)據(jù)的收/發(fā)也必然出錯(cuò)，產(chǎn)生溢出錯(cuò)誤。

圖4溢出錯(cuò)誤

通過(guò)對(duì)從器件的波形分析發(fā)現(xiàn)，counter=8后的第一個(gè)時(shí)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(zhǎng)短對(duì)數(shù)據(jù)的正確性沒(méi)有影響，因此可以縮短counter=8的狀態(tài)，以避免前一個(gè)SPIF和后一個(gè)SPIF相重疊。這樣，從硬件上避免了這一階段的溢出錯(cuò)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(gè)新的數(shù)據(jù)，溢出錯(cuò)誤還是會(huì)發(fā)生的。此時(shí)，SPI接口保護(hù)前一個(gè)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(hào)(如果該中斷允許)，通知從器件及時(shí)讀取數(shù)據(jù)。

4 偏移錯(cuò)誤(OFST)

SPI接口一般要求從器件先工作，然后主器件才開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。有時(shí)在主器件往外發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，從器件才開(kāi)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(gè)SCK。如圖5所示，從器件接收到的8個(gè)SCK其實(shí)是屬于主器件發(fā)送相鄰的兩個(gè)數(shù)據(jù)的SCK主。這時(shí)，主器件的SPIF和從器件的SPIF會(huì)發(fā)生重疊，數(shù)據(jù)發(fā)生了錯(cuò)位，從器件如果不對(duì)此進(jìn)行糾正的話，數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送便一直地錯(cuò)下去。

圖5偏移錯(cuò)誤

在一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)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(gè)SCK并不均勻，它們是分別屬于兩個(gè)數(shù)據(jù)的，因此可以計(jì)算SCK的占空時(shí)間來(lái)判斷是否發(fā)生了偏移錯(cuò)誤。經(jīng)分析，正常時(shí)候SCK=1時(shí)的時(shí)鐘周期數(shù)n的取值滿足如下關(guān)系：

但由于主從時(shí)鐘之間是異步的，并且經(jīng)過(guò)了取整，所以正常時(shí)候SCK=1時(shí)的時(shí)鐘周期計(jì)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(rèn)為是正常的。但當(dāng)出現(xiàn)COUNT(max)=8時(shí)，可以判定出現(xiàn)了偏移錯(cuò)誤。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，先記錄下第一個(gè)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(cuò)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(gè)數(shù)據(jù)的第一個(gè)SCK。其中COUNT的位數(shù)固定為8位，為了避免溢出時(shí)重新從00H開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到ffH時(shí)停止計(jì)數(shù)。

5 其他錯(cuò)誤

設(shè)定不當(dāng)，或者受到外界干擾，數(shù)據(jù)傳輸難免會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，或者有時(shí)軟件對(duì)錯(cuò)誤的種類判斷不清，必須要有一種方法強(qiáng)制SPI接口從錯(cuò)誤狀態(tài)中恢復(fù)過(guò)來(lái)。在SPI不工作，即SPEN=0的時(shí)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(shí)候，能夠發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，無(wú)論是什么錯(cuò)誤，都可以強(qiáng)制停止SPI的工作，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，在偏移錯(cuò)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(cè)到有錯(cuò)誤，若用戶軟件能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，這時(shí)就可以強(qiáng)制停止SPI的傳輸工作，這樣就可以避免錯(cuò)誤一直持續(xù)下去。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)SPI接口之間數(shù)據(jù)傳輸中各種出錯(cuò)情況進(jìn)行分析，并對(duì)SPI接口處理錯(cuò)誤的能力進(jìn)行增強(qiáng)。對(duì)一些傳輸錯(cuò)誤，SPI接口可以檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)對(duì)各種錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器進(jìn)行置位，并做相應(yīng)的處理解決。但是有些錯(cuò)誤由硬件本身造成，是檢測(cè)不到的。因此，在應(yīng)用中，如果對(duì)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(shí)序要求外，還需要在軟件上作適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

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