同步隊列串行接口QSPI的研究與應(yīng)用
MCU同外部設(shè)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(yīng)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(chǔ)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(yù),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(yīng)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(dāng)QSPI傳輸啟動時,QSPI模塊將從起始點開始依次發(fā)送準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)直到結(jié)束點,整個過程無需CPU干預(yù)。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(shè)備。一次典型的16位QSPI傳輸時序如圖3所示。該時序假設(shè)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(biāo),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(luò)的一點導(dǎo)通,與觸點位置相關(guān)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(biāo)。X坐標(biāo)的獲取也是相同的道理。量化臺階由基準(zhǔn)電壓和每個樣點量化后的位數(shù)n決定,為基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓采用了不同的構(gòu)成方式?;鶞?zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)電壓為+Vcc。假設(shè)在該模式下獲取觸點Y坐標(biāo),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(dǎo)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(dāng)要獲取觸點Y坐標(biāo)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(zhǔn)電壓,消除了三級管導(dǎo)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(biāo)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(shè)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(yīng)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(shè)計
從觸摸發(fā)生到獲取觸摸點坐標(biāo)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(yīng)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(biāo)。
獲取一個坐標(biāo)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(biāo)函數(shù)代碼如下:
獲取Y坐標(biāo)函數(shù)代碼同獲取X坐標(biāo)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(biāo)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(yīng)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(yù)。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(shè)備進行通信。