SPI接口如何實現微控制器之間的通信

　　嵌入式系統可使用一個或多個處理器或微控制器，在更復雜的系統中執行專用操作。這些嵌入式控制器需要與其他系統元件、傳感器甚至其他控制器進行通信。雖然復雜的串行接口和協議很常見，但可能很難進行編程和故障排除，特別是在與之通信的設備數量較少時尤其如此。

　　設計人員需要具有簡單的設備到設備數字接口的微控制器、外設和傳感器，以便可以高速處理任意長度的數據，并且省去與協議相關的復雜編程任務。

　　簡單的解決方案是選擇帶有串行外設接口（SPI）的控制器，這樣可將控制器連接到一些本地的外設 IC 或傳感器。這種接口是一種簡單的同步接口，使用硬件尋址并以高達 50 兆赫茲（MHz）的時鐘速率運行。SPI 不使用需要尋址和狀態檢查的復雜協議，相反，它是適用于快速數據傳輸的基本接口，無需復雜接口總線的編程開銷。

　　本文將介紹 SPI 接口的基礎知識（包括多種工作模式），然后介紹具有 SPI 接口的微控制器和其他設備，并且說明如何使用 SPI 接口。

　　什么是 SPI？

　　SPI 是由摩托羅拉（現為 NXP Semiconductors 公司的一部分）于 1985 年前后開發，是一種適用于短距離、設備到設備通信的同步串行接口。從那時起，這種接口就已成為許多半導體制造商，特別是微處理器和微控制器采用的事實標準。

　　SPI 之所以廣受歡迎，是因為它有很多優點。首先，SPI 是一種簡單的硬件尋址接口，在傳輸的位數方面具有全面的靈活性。該接口采用具有單個主設備的主從模型，可使用以高達 50 MHz 時鐘速率運行的全雙工通信來處理多個從設備。它不使用標準協議，僅傳輸數據包，因此非常適合傳輸長數據流。

　　SPI 最多可使用四條信號線（圖 1）。主設備（通常是處理器或控制器）為時鐘（SCK）和片選（CS）信號線供電并進行控制。全多工操作由數據線“主出從入（MOSI）”和“主入從出（MISO）”進行處理。在簡單的單主單從配置中，可以省去片選信號線，并將從設備的 CS 輸入強制作為啟用的邏輯條件。如果從設備只能發送數據（半雙工通信），那么還可以省去 MOSI 線，進一步減少信號計數。數據按時鐘信號輸出，這樣數據傳輸類似于移位寄存器，每個時鐘移出一位。

　　圖 1：基本 SPI 全雙工連接使用兩條數據線（MOSI、MISO）、一條時鐘線（SCK）和一條片選線（CS）。從設備上的 MOSI 有時標記為從設備數據輸入（SDI）。MISO 可標記為從設備數據輸出（SDO）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　目前有兩種方法可以處理多個從設備（圖 2）。

　　圖 2：兩種處理多個從設備連接的配置。直接連接方式下每個從設備需要一個片選信號。菊花鏈連接方式僅使用一個片選信號，并將所有數據集中在一條線上。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　直接連接方式下每個從設備使用一條片選信號線。大多數微處理器都有三到四條片選線，這就將從設備的最大數量限制為片選線的數量。這在多數情況下不會出現問題，但如果某個設計需要總線上有更多的設備，這時可以使用菊花鏈方法配置一些設備。通過菊花鏈，多個從設備可使用一個共用的片選信號，而數據則通過共用數據線流出。這里再次將 SPI 從設備用作移位寄存器，來自從設備的數據可以在串行多路復用流中傳播。

　　SPI 時鐘模式

　　由主設備控制并生成時鐘。時鐘的兩個屬性分別是時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）。這些屬性控制從設備相對數據進行計時的有效時鐘邊沿。CPOL = 0 時，將時鐘設為在邏輯 0 位置空閑。CPOL = 1 時，時鐘在邏輯 1 位置空閑。CPHA = 0 時，數據在上升沿計時，CPHA = 1 時，數據在下降沿計時（圖 3）。

　　圖 3：SPI 時鐘模式選擇確定了進行數據采樣的有效時鐘邊沿。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　主設備中的 CPOL 和 CPHA 線路設置決定了時鐘極性以及進行數據計時的有效邊沿。模式 1 是最常用的模式，但設計人員同樣可以使用其他三種模式。

　　在示波器上可以觀察 SPI 傳輸的三個信號分量（圖 4）。在此示例中，傳輸的是 8 位數據包。用于觀察數據傳輸的是 Te ledyne LeCroy 的 HDO4104A 示波器及其 SPI 串行解碼選件。

　　圖 4：在 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 示波器（配有串行解碼選件）上查看的 SPI 互換示例。波形如下：上面的軌跡是數據線，中間的軌跡是時鐘，底部的軌跡是片選信號。數據軌跡上的藍色覆蓋區顯示的是十六進制解碼內容。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　模式 1 時鐘由八脈沖組組成，其中空閑設置為 0 位（CPOL = 0），數據在后沿或下降沿（CPHA = 1）計時。本示例中使用的示波器配有串行解碼選件，用于對數據內容進行解碼。在數據軌跡上的藍色覆蓋區讀出十六進制的數據內容。解碼僅與片選信號線被斷言（0 電平）時發生的數據有關。總共有 17 個時鐘猝發，但只有其中 5 個猝發對應有效片選狀態。

　　波形顯示柵格下方的表格中列出了有效數據內容，還有每個數據包相對于示波器觸發器的時間以及測量的時鐘速率（本例中的速率為 100 kb/s）。每個猝發中的時鐘周期數可設定從設備按時鐘輸出的數據位數。

　　微處理器 I/O 選擇

　　Microchip Technology 的 ATtiny816-MNR 是多種微控制器的典型代表，因為它支持多個 I/O 接口（圖 5）。這款特別的控制器采用高性能、低功耗的 AVR?RISC 架構，運行頻率高達 200 MHz。該控制器可由 4 或 8 KB 閃存、256 或 512 字節的 SRAM 以及 128 字節的 EEPROM 進行支持，所有這些存儲器均集成在一個 20 引腳封裝內。

　　圖 5：Microchip Technology 的 ATtiny816 微控制器框圖突出顯示了 I/O 端口。該控制器配有一個 SPI 端口和一個 USART 端口，其中 USART 端口可配置為第二個 SPI。（圖片來源：Microchip Technology）

　　此微控制器的接口側配有一個通用同步和異步收發器（USART）、一個 I2C 兼容型雙線接口（TWI）和 SPI。USART 可配置為第二個 SPI 端口。

　　SPI 可使 AVR 設備和外圍設備之間，或幾個微控制器之間實現全雙工通信。SPI 外設可以配置為主設備或從設備，從而實現微控制器之間的通信。

　　基于 SPI 的傳感器

　　各種通過 SPI 提供數字數據的傳感器可以與集成了 SPI 的大量微處理器和微控制器配套使用。例如，Microchip Technology 的 TC77-3.3MCTTR 數字溫度傳感器是一種可串行訪問的數字溫度傳感器，適用于小外形尺寸、低成本的應用。TC77 的溫度范圍為 -55°C 至 +125°C。該傳感器采用 2.7 V 至 5.5 V 電源，運行時消耗 250 微安（μA）電流，并具有僅消耗 1μA 電流的低功耗關斷模式。

　　在典型應用中，此傳感器可通過標準 SPI 連接與處理器相連，其溫度數據可格式化為 13 位數字值，如圖 6 所示。

　　圖 6：Microchip Technology 的 TC77 是一款易于使用的溫度傳感器，不僅外形小巧，而且成本低廉。此溫度傳感器可以快速連接到控制器或處理器，將溫度讀數轉換為 13 位數字值。如時序圖所示，通過將 CS 信號線斷言為邏輯 0 可啟動通信。（圖片來源：Microchip Technology）

　　該圖顯示了 T77 溫度寄存器讀取操作的時序圖。通過斷言 CS 信號線并將其置于邏輯 0，可以啟動通信。然后，傳感器會發送第一位數據。微控制器在 SCK 的上升沿讀取數據。隨后使用 SCK 的下降沿輸出傳感器的其余數據。與前面的示例一樣，此圖也是模式 1 傳輸，只不過數據字較長。

　　擴大 SPI 的使用范圍

　　除了在許多微處理器和微控制器中包含 SPI 之外，一些 IC 制造商還增強了該總線的功能。Analog Devices 的 LTC6820 isoSPI 隔離式通信接口就是個很好的例子。該 IC 為使用差分信號并通過一條雙絞線連接進行通信的兩個 SPI 設備提供電流隔離（圖 7）。盡管時鐘速率比 10 米距離時的 1 Mb/s 標稱速率有所降低，但這種信號模式將 LTC6820 SPI 接口的可用范圍延長到遠達 100 米（m）。