同步隊列串行接口QSPI的研究與應用
MCU同外部設備的數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式，一種是并行數(shù)據(jù)傳輸方式，另一種是串行數(shù)據(jù)傳輸方式。串行數(shù)據(jù)傳輸方式信號線少，協(xié)議簡單，在長距離、低速率的傳輸中得到廣泛應用，常用的有SPI、I2C、UART等串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。其中，SPI協(xié)議為Motorola公司推出的同步串行外圍接口協(xié)議，Motorola公司的低端MCU上基本都集成了SPI模塊。在SPI協(xié)議的基礎上，Motorola公司對其功能進行了增強，增加了隊列傳輸機制，推出了隊列串行外圍接口協(xié)議(即QSPI協(xié)議)。使用該接口，用戶可以一次性傳輸包含多達16個8位或16位數(shù)據(jù)的傳輸隊列。一旦傳輸啟動，直到傳輸結(jié)束都無需CPU干預，極大地提高了傳輸效率。該協(xié)議在隨后推出的ColdFire系列MCU中得到廣泛應用。
1 QSPI工作原理
QSPI模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。與SPI相比，QSPI結(jié)構(gòu)最大的特點是以80字節(jié)的RAM取代了SPI的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)寄存器。80字節(jié)的RAM分成3部分：16字的發(fā)送RAM，16字的接收RAM和16字節(jié)的命令RAM。這3部分形成了具有16個QSPI傳輸控制組的傳輸隊列，每個QSPI傳輸控制組由1個命令RAM、1個發(fā)送RAM和1個接收RAM組成。每個QSPI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度、片選等信息可由該QSPI傳輸控制組的命令RAM單獨決定。
在QSPI模塊的QWR寄存器中，NEWQP和ENDQP域分別決定了傳輸隊列的起始點和結(jié)束點。起始點和結(jié)束點可以是16個QSPI 傳輸控制組的任意一個。當QSPI傳輸啟動時，QSPI模塊將從起始點開始依次發(fā)送準備好的數(shù)據(jù)直到結(jié)束點，整個過程無需CPU干預。典型的QSPI傳輸流程如圖2所示，其中QP為傳輸隊列指針，指向即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
QSPI模塊具有7個引腳：QSPI＿DIN為串行數(shù)據(jù)輸入引腳；QSPI＿DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出引腳；QSPI＿CLK為串行時鐘輸出；QSPI＿CS[3：0]為片選信號，通過外接譯碼器可以選擇多達16個設備。一次典型的16位QSPI傳輸時序如圖3所示。該時序假設片選信號低電平有效，時鐘空閑時為低電平，在時鐘的下降沿采樣串行數(shù)據(jù)。其中，時鐘空閑電平和采樣時鐘沿由QMR寄存器的CPOL和CPHA域決定。
24線電阻式觸摸屏芯片ADS7843簡介
ADS7843是一款具有同步串行接口的4線電阻式觸摸屏控制芯片，具有12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換精度。ADS7843的4個模擬電壓輸入引腳X+、X-、Y+、Y-連接觸摸屏的4個電極，觸摸屏通過這4個引腳將觸點電壓送到ADS7843進行量化。具體來說，如果要獲取觸點Y坐標，ADS7843會在Y十和Y-之間施加一個電壓，觸點將X+與Y+和Y-間電阻網(wǎng)絡的一點導通，與觸點位置相關的分壓值就會通過X+送入ADS7843，通過量化這個分壓值就可以獲取觸點的Y坐標。X坐標的獲取也是相同的道理。量化臺階由基準電壓和每個樣點量化后的位數(shù)n決定，為基準電壓的1／2”。
2．1 ADS7843工作模式
ADS7843具有兩種工作模式：單端模式和差分模式。兩種模式的區(qū)別在于基準電壓采用了不同的構(gòu)成方式。基準電壓是ADS7843內(nèi)部模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的正負參考電壓+REF和-REF之差。當處于單端模式時，+REF來自外部參考電壓輸入，一般選取ADS7843的供電電壓+ Vcc，-REF接地，所以基準電壓為+Vcc。假設在該模式下獲取觸點Y坐標，由于+Vcc是通過三極管施加在Y+和Y一之間，所以三極管的導通電阻始終會分去一部分電壓。這樣無論觸點在哪里，都不可能獲得滿量程。這個問題可以通過工作在差分模式解決。在該模式下，當要獲取觸點Y坐標時，芯片內(nèi)部自動將Y+與+REF相連，Y-與-REF相連，這樣Y+與Y-之間的電壓始終為基準電壓，消除了三級管導通電阻的影響。
2．2 ADS7843的數(shù)字接口
ADS7843的數(shù)字接口包括片選CS、串行數(shù)據(jù)輸入DIN、串行數(shù)據(jù)輸出DOUT、時鐘輸入DCLK、中斷信號PENIRQ五個引腳，能與具有串行接口的微控制器或數(shù)字信號處理器進行數(shù)據(jù)交換。處理器與ADS7843之間需要24個串行時鐘周期才能完成一次完整的轉(zhuǎn)換。前8個時鐘周期用于向ADS7843提供一個控制字節(jié)，該控制字節(jié)組成如下：
S位為“1”時表明控制字節(jié)的開始；A[2：0]用于選擇量化通道，“001”選擇X通道，“101”選擇Y通道；MODE位為“1”時選擇8位量化精度，為“0”時選擇12位量化精度；SER／DFR位為“1”時選擇單端模式，為“0”時選擇差分模式；PD[1：0]用于選擇一種省電模式?？刂谱謧鬏斖旰?，接下來的16個時鐘周期用于傳輸量化后的坐標數(shù)據(jù)。
ADS7843數(shù)字接口還有以下特點：片選低電平有效，時鐘空閑時為低電平，時鐘的上升沿采樣串行數(shù)據(jù)。
3 基于ColdFire處理器QSPI接口的觸摸屏驅(qū)動設計
3．1 硬件電路
觸摸屏控制芯片ADS7843與ColdFire系列處理器的硬件連接圖如圖4所示。
ADS7843數(shù)字接口的4個引腳與COLDFire處理器QS-PI模塊對應引腳相連，中斷信號引腳PENIRQ與處理器外部中斷引腳IRQ4相連。注意，需要10kΩ上拉電阻。
3．2 軟件設計
從觸摸發(fā)生到獲取觸摸點坐標的過程如下：觸摸發(fā)生時，ADS7843會通過PENIRQ引腳觸發(fā)一個中斷，在中斷子程序中首先應延遲10～20 ms以去除抖動帶來的影響，然后向ADS7843發(fā)送控制字獲取X、Y坐標。
獲取一個坐標的值需要向ADS7843輸入24個時鐘周期。對QSPI模塊來說，可以把這24個周期作為3次8位的傳輸隊列，或1次8位、1次16位的傳輸隊列。這里選擇3次8位傳輸隊列的方式。QSPI初始化代碼如下：
其中，QSPI_QMR和QSPI_QWR為QSPI寄存器QMR和QWR的地址。獲勝X坐標函數(shù)代碼如下：
獲取Y坐標函數(shù)代碼同獲取X坐標函數(shù)代碼基本一致，只需要將發(fā)送給ADS7843的控制命令修改為0xD0，表示選擇Y通道，12位精度，差分模式。
為觀察QSPI模塊與ADS7843是否能正確地進行通信，使用Agilent1673G邏輯分析儀對4個引腳的時序進行了捕捉。圖5顯示了讀取X坐標時的時序圖，4個引腳從上到下依次是片選CS、串行時鐘DCLK、串行數(shù)據(jù)輸入DIN、串行數(shù)據(jù)輸出DOUT。從圖中可以清楚地看到，在前8個時鐘周期，處理器向ADS7843輸入了控制字；在第10個時鐘處，ADS7843開始輸出12位的量化數(shù)據(jù)；最后3個時鐘，ADS7843將輸出線拉低。
結(jié) 語
本文分析了一種改進的SPI傳輸接口QSPI的工作機制，并通過QSPI模塊與觸摸屏控制芯片ADS7843通信的實例闡述了該模塊的典型應用。QSPI模塊的隊列機制加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，減少了CPU的干預。除此之外，該模塊提供了對時鐘有效電平、采樣沿、片選電平、傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)等的自由配置，使其能靈活地與各種具有串行接口的設備進行通信。
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