理解ATE SPI (串行外設(shè)接口)

大多數(shù)Maxim? ATE設(shè)計都采用了一個串行接口，以便從外部控制器件。這種串行接口正在成為一種重要且非常有用的功能，但也可能是較難理解的部分之一。本應(yīng)用筆記介紹了Maxim ATE SPI?接口，并闡述了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方法。從時序圖可以看出如何對該接口進(jìn)行編程。

串行外設(shè)接口(SPI)的基礎(chǔ)

SPI是一種同步數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，其構(gòu)想最初由Motorola?提出。按照主/從模式進(jìn)行通信，其中主控設(shè)備啟動與一個或多個從設(shè)備之間的通信，在器件之間交換數(shù)據(jù)。SPI接口已經(jīng)演化出了許多不同結(jié)構(gòu)，但它們都采用公用的一組控制信號和輸出。最簡單的方法是基于移位寄存器的3線設(shè)計，如圖1所示。信號定義如下：

• SCLK：時鐘信號，將DIN (數(shù)據(jù))按時序移入移位寄存器
• DIN：移入移位寄存器的數(shù)據(jù)
• DOUT：移出移位寄存器的數(shù)據(jù)

圖1. 8位SPI接口簡圖

SPI接口(圖1)的基本工作原理是將數(shù)據(jù)(DIN)移入移位寄存器，由SCLK的上升沿或下降沿控制數(shù)據(jù)移位。一旦數(shù)據(jù)移入寄存器，移位寄存器的輸出即可作為設(shè)計中的控制信號。在時鐘控制下，數(shù)據(jù)通過DOUT引腳移出，允許以菊花鏈形式連接多個接口，控制多個從器件。

Maxim ATE串行接口架構(gòu)

Maxim的ATE方案在圖1所示最簡方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴展，增加了另外三個信號：片選(CS\*)、裝載(LD\*)和復(fù)位(RST\*)。另外，拓?fù)涓臑殡p緩存結(jié)構(gòu)。緩存1代表增加的第一級鎖存器；緩存2代表第二級鎖存器。這種雙緩存結(jié)構(gòu)能夠在兩級之間靈活地傳遞和鎖存數(shù)據(jù)。我們將探討這種架構(gòu)的實現(xiàn)和時序圖(分別參見圖2和圖3)，說明單通道、8位字SPI的工作原理。

單元和信號

8位移位寄存器

圖2所示為標(biāo)準(zhǔn)移位寄存器，它具有8個寄存器位(SRBIT0至SRBIT7)。數(shù)據(jù)(DIN)在SCLK的上升沿移入，移入所有8位數(shù)據(jù)需要8個時鐘信號。數(shù)據(jù)在第8個時鐘周期的下降沿移出(DOUT)。CS\也是移位寄存器單元的一個輸入。

控制信號譯碼

控制信號譯碼電路是一個用戶邏輯單元，對SCLK、CS\以及數(shù)據(jù)字中的控制位進(jìn)行譯碼，使得第1級鎖存器可以保持?jǐn)?shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)傳遞至第2級鎖存器。該單元可以設(shè)計控制多路第1級鎖存器，MAX9979數(shù)據(jù)資料給出了一個示例，其中第1級輸入寄存器和通道選擇寄存器都由用戶邏輯單元控制。該8位示例中沒有控制位，移位寄存器的所有8位傳遞至第1級鎖存器。

8位鎖存器

提供兩級或兩組完全相同的鎖存器。該示例采用8位鎖存器(SRBIT0至SRBIT7)。鎖存器為透明傳輸，在鎖存時鐘輸入的下降沿將輸入數(shù)據(jù)傳遞至輸出。鎖存器輸出在鎖存時鐘的上升沿保持或鎖存數(shù)據(jù)。輸出保持鎖存狀態(tài)，直到鎖存器時鐘輸入變?yōu)榈碗娖健５?級鎖存器的時鐘信號為SCLK、CS\和控制位的譯碼信號。第2級鎖存器的時鐘信號為LD\信號。

控制信號線

控制信號線為第2級鎖存器輸出。它們作為數(shù)字控制信號控制器件的內(nèi)部功能或工作模式。

“低電平有效”

信號CS\、LD\和RST\為“低電平有效”控制信號。“低電平有效”表示信號只有為邏輯低電平時才有效。


圖2. 8位字、雙緩存SPI接口的簡單示例


圖3. 8位字SPI示例的詳細(xì)時序圖

工作原理

下文所示時序?qū)?yīng)于圖2和圖3所示的SPI示例。該設(shè)計中，選擇在時鐘的上升沿將信號移入器件，也可以使用下降沿。數(shù)據(jù)按照從MSB (最高有效位)至LSB (最低有效位)的順序移入，也可以從LSB至MSB移入，如本應(yīng)用所示。

• 在SCLK的上升沿將數(shù)據(jù)移入移位寄存器。
• DIN數(shù)據(jù)經(jīng)過8?個時鐘周期后，在SCLK的下降沿從接口(通過DOUT)移出。
• CS\由SCLK觸發(fā)控制。在低電平有效的CS\下降沿將數(shù)據(jù)傳遞至第1級鎖存器，并在CS\的上升沿鎖存至第1級。如果CS\保持為高電平，數(shù)據(jù)僅傳送至DOUT，不會出現(xiàn)在第1級鎖存器。
• 與LD\控制信號異步加載第2級鎖存器。如果LD\保持為邏輯高電平，則第1級緩存輸出不會傳遞到第2級緩存輸出。若LD\保持為低電平，第1級緩存輸出將直接通過第2級鎖存器。在LD\控制信號的上升沿鎖存第2級輸出。
• RST\將把串行接口控制信號復(fù)位到默認(rèn)狀態(tài)。
• 圖3所示為所有串行接口輸入、輸出的詳細(xì)時序。

SPI接口只有符合具體的時序指標(biāo)要求才能正常工作。這些指標(biāo)在器件數(shù)據(jù)資料中列出。表1定義了圖3相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，并給出了一些典型值以供參考。

表1. SPI時序要求、定義及典型值

SPI接口的主/從配置

有三種方法實現(xiàn)主/從配置：

1. 一主一從，如圖4所示。
2. 一主多從，采用菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。
   該方法的優(yōu)勢在于：
   1. 主器件僅需要一個片選引腳。
   2. 以菊花鏈形式將DOUT引腳連接至下一個從器件的DIN；最后一個從器件的DOUT返回至主器件DIN端口進(jìn)行讀取。
   該方法的缺點是：
   1. 每個從器件沒有獨立控制信號。
   2. DATA字較長。
   3. 由于必須在觸發(fā)片選信號之前更新所有從器件，所以更新速度較慢。
3. 一主多從，每片從器件都有其各自的片選引腳，如圖6所示。
   該方法的優(yōu)勢在于：
   1. 每個從器件均可獨立控制。
   2. 工作速率較快。
   缺點是：
   1. 主器件需要更多的I/O控制引腳。
   2. 如果DOUT不能處于高阻態(tài)，則不能回讀數(shù)據(jù)。

圖4. 單個主/從SPI接口


圖5. 一主多從—菊花鏈結(jié)構(gòu)，一個片選信號控制所有從器件。


圖6. 一主多從—每個從器件都有獨立的片選信號。

常見的SPI錯誤

根據(jù)數(shù)據(jù)資料確定數(shù)據(jù)是在時鐘的正向上升沿還是負(fù)向下降沿移入。請注意不要混淆具有不同時鐘沿要求的從器件。如果存在不同的時鐘要求，請務(wù)必在軟件或硬件中完成正確的轉(zhuǎn)換。



根據(jù)數(shù)據(jù)資料確定是MSB在前還是LSB在前移入數(shù)據(jù)。



確保CS\在相對于時鐘沿的數(shù)據(jù)字附近正確控制。

如果字長不是8位或單字節(jié)的倍數(shù)，請務(wù)必在字開頭或結(jié)尾處添加零，以確保以字節(jié)的整數(shù)倍移入。有些控制器或主器件，一次只能輸出1個字節(jié)。如果是這種情況，需確保不會將實際數(shù)據(jù)從從器件中移出。若要控制指定從器件，需確保從器件擁有完整數(shù)據(jù)。

請不要將多個DOUT連接在一起，除非它們具有高阻態(tài)選項。

請仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)資料，確定已經(jīng)理解、掌握從器件的使用細(xì)節(jié)。“字”可以包含數(shù)據(jù)、地址和控制位。

請注意，以菊花鏈連接多個器件可能導(dǎo)致更新速度緩慢。

SCLK信號為高速信號并送至多個位置。確保該信號經(jīng)過適當(dāng)緩沖以驅(qū)動多個電路，從而避免時序誤差。所有驅(qū)動多個電路的信號都應(yīng)該具有足夠的驅(qū)動能力。

總結(jié)

從6個基本信號的角度介紹了Maxim ATE SPI串行接口的基本工作原理和時序，它們分別為：SCLK、CS\、DIN、RST\、LD\和DOUT。RST\和LD\可選。即使不同電路之間的結(jié)構(gòu)會有所調(diào)整，但這6個信號的時序定義了SPI接口的外部工作特性。本文結(jié)合6個基本信號，以8位字、雙緩存接口為例介紹了SPI的工作原理。該接口是Maxim ATE產(chǎn)品遵循的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。查看每個器件的數(shù)據(jù)資料可以了解不同接口的差異和增強功能，但所有接口都遵循本文所述時序。充分理解本文給出的示例有助于您解讀、理解Maxim的許多ATE串行接口。

*注：后綴“\” (例如：CS\、LD\、RST\)表示這些引腳為低電平有效。