單片機(jī)SPI通信中數(shù)據(jù)流的同步問(wèn)題研究[圖]

摘要：詳細(xì)介紹串行同步通信的特點(diǎn)，說(shuō)明如何通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件糾錯(cuò)來(lái)確保數(shù)據(jù)流的同步；給出一種糾正數(shù)據(jù)偏移的方法，并以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A與單片機(jī)MSP430F135之間的SPI通信為例進(jìn)行說(shuō)明。

SPI 是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫(xiě)，通常稱(chēng)為“同步外設(shè)接口”，是由Motorola公司開(kāi)發(fā)的全雙工同步串行總線(xiàn)。該總線(xiàn)大量用在微處理器及其外設(shè)器件的通信中。與SPI有關(guān)的軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，使CPU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)�，F(xiàn)在，越來(lái)越多的單片機(jī)帶有SPI，采用SPI的外圍芯片也與日俱增。采用SPI通信可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高電路可靠性，降低系統(tǒng)成本。

1 SPI通信的基本方式

SPI通信總線(xiàn)定義了以下4個(gè)接口信號(hào)。

◇ SIMO： 從入/主出。

◇ SOMI: 從出/主入。

◇ SCK: 串行時(shí)鐘。

◇ SS: 從屬選擇（在有些芯片中定義為STE信號(hào)）。

圖1 SPI通信的2種通信模式

SPI通信有三線(xiàn)SPI和四線(xiàn)SPI兩種模式。在三線(xiàn)SPI模式下，從屬選擇信號(hào)SS/STE不起作用；采用四線(xiàn)SPI模式時(shí)，SS/STE信號(hào)為高電平時(shí)禁止從機(jī)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，SS/STE信號(hào)為低電平時(shí)允許從機(jī)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。SPI通信是一種基于主從配置的通信，提供串行時(shí)鐘信號(hào)的一方是主機(jī)，其他的為從機(jī)。圖1為2種通信模式下2臺(tái)單片機(jī)之間的連接圖。如果一個(gè)系統(tǒng)中有多臺(tái)從機(jī)，那么主機(jī)就要為每一臺(tái)從機(jī)提供一個(gè)從屬選擇信號(hào)，以確保任一時(shí)刻只有一臺(tái)從機(jī)起作用[1]。

在SPI通信中，數(shù)據(jù)是同步發(fā)送和接收的。在串行時(shí)鐘信號(hào)的作用下，主機(jī)在通過(guò)SIMO信號(hào)線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，也在通過(guò)SOMI信號(hào)線(xiàn)接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；從機(jī)在通過(guò)SIMO信號(hào)線(xiàn)接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，也在通過(guò)SOMI信號(hào)線(xiàn)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。Motorola公司沒(méi)有定義任何通用SPI的時(shí)鐘規(guī)范，但是所有具有SPI功能的單片機(jī)中，都可以通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的寄存器來(lái)設(shè)置時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。對(duì)時(shí)鐘極性的設(shè)置決定了靜止時(shí)SPI串行時(shí)鐘的有效狀態(tài)，而對(duì)時(shí)鐘相位的設(shè)置則規(guī)定了處理器在何時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。之所以如此，是為了適應(yīng)不同外設(shè)和線(xiàn)路的需要，因?yàn)橛行┩庠O(shè)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，而有些外設(shè)則在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿鎖存數(shù)據(jù)[2]。

SPI傳輸串行數(shù)據(jù)時(shí)，首先傳輸數(shù)據(jù)的最高位[2]。波特率可以達(dá)到幾Mbps，實(shí)際速度不僅取決于SPI硬件，而且還受到軟件設(shè)計(jì)的約束。

2 數(shù)據(jù)流的同步

同步串行通信的基本特點(diǎn)是： 同步串行通信是以字符塊為信息單位傳送的，而每幀信息包含成百上千個(gè)字符，因此，數(shù)據(jù)傳送一旦開(kāi)始，就要求每幀信息內(nèi)部的每一位都要同步。也就是說(shuō)，不僅字符內(nèi)部的位傳送是同步的，而且字符與字符之間的傳送也必須是同步的，這樣才能保證收/發(fā)雙方對(duì)每一位都同步。顯然，這種通信方式對(duì)時(shí)鐘同步要求非常嚴(yán)格。為此，收/發(fā)兩端必須使用同一時(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)塊傳輸中字符與字符、字符內(nèi)部位與位之間的同步[3]。

不論以何種方式進(jìn)行通信，都必須制定一個(gè)通信協(xié)議。SPI通信也不例外。通信協(xié)議通常可以被分為3個(gè)部分[4]： 語(yǔ)法、語(yǔ)義和定時(shí)關(guān)系。這3部分分別規(guī)定了通信雙方“如何講”、“講什么”以及“何時(shí)講”的問(wèn)題。

同步通信的通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單。通常在數(shù)據(jù)塊的前面冠以同步字符，在數(shù)據(jù)塊的結(jié)尾加上差錯(cuò)控制字符就構(gòu)成了同步通信的一幀數(shù)據(jù)[5]。通過(guò)選擇工作模式，設(shè)置波特率、時(shí)鐘極性和相位以及軟件的設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的同步。

在雙機(jī)或一臺(tái)單片機(jī)與一片外圍芯片的SPI通信中常選擇三線(xiàn)模式；而在多方SPI通信中則通常使用四線(xiàn)SPI模式，這時(shí)SS/STE信號(hào)線(xiàn)用來(lái)對(duì)從機(jī)進(jìn)行選擇。在一主多從的SPI通信中，主機(jī)必須為每一臺(tái)從機(jī)或外圍芯片提供一個(gè)SS/STE信號(hào)，使得任一時(shí)刻只有一臺(tái)從機(jī)或外圍芯片起作用[1]。如果所有的從機(jī)都只從主機(jī)接收數(shù)據(jù)，而不向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么也可以使用三線(xiàn)SPI模式。SS/STE信號(hào)也可以用來(lái)對(duì)主機(jī)進(jìn)行選擇，不過(guò)通信將變得很復(fù)雜。選擇正確的工作模式是進(jìn)行可靠的SPI通信的前提。

SPI通信是在主機(jī)提供的時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的，設(shè)置波特率就是設(shè)置主機(jī)提供的時(shí)鐘信號(hào)的頻率。因此，波特率的設(shè)置就顯得相當(dāng)重要，需要多方考慮。單片機(jī)與其外圍器件進(jìn)行通信時(shí)，一次可能只發(fā)送1個(gè)或2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，可以把波特率設(shè)得高一些，只要不超過(guò)硬件允許的范圍即可。如果是兩臺(tái)單片機(jī)之間進(jìn)行通信，那么每次傳送的往往是一組數(shù)據(jù)，否則就失去了同步通信的意義[3]。這種情況下，就必須考慮接收數(shù)據(jù)一方的運(yùn)行速度。因?yàn)闊o(wú)論是采用查詢(xún)還是中斷方式接收數(shù)據(jù)，每收到1個(gè)字節(jié)或1個(gè)字的數(shù)據(jù)后，接收方的單片機(jī)就必須從接收緩沖寄存器中取一次數(shù)據(jù)。這個(gè)過(guò)程必須在下一個(gè)字節(jié)或字傳送完畢前結(jié)束。也就是說(shuō)，處理時(shí)間不能超過(guò)8個(gè)或16個(gè)串行時(shí)鐘周期；否則，將會(huì)發(fā)生溢出錯(cuò)誤。例如，完成這個(gè)過(guò)程需要4 μs，當(dāng)接收緩沖寄存器為8位時(shí)，串行時(shí)鐘的波特率就不能超過(guò)2 Mbps；當(dāng)接收緩沖寄存器為16位時(shí)，串行時(shí)鐘的波特率就不能超過(guò)4 Mbps。有的單片機(jī)片內(nèi)RAM有限，沒(méi)有足夠的RAM空間用來(lái)保存中間數(shù)據(jù)，每收到1個(gè)字節(jié)或字的數(shù)據(jù)就必須處理一次。這樣一來(lái)，串行時(shí)鐘的波特率就需要設(shè)置得更低。

當(dāng)單片機(jī)與其外圍芯片進(jìn)行SPI通信時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)外圍芯片的時(shí)序來(lái)設(shè)置串行時(shí)鐘的極性和相位。例如，某芯片在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿接收SPI線(xiàn)上的數(shù)據(jù)，那么主機(jī)就必須采用無(wú)延時(shí)的下降沿或有延時(shí)的上升沿時(shí)鐘方式來(lái)發(fā)送SPI數(shù)據(jù)[1]。當(dāng)兩臺(tái)單片機(jī)之間進(jìn)行SPI通信時(shí)，雙方對(duì)時(shí)鐘信號(hào)極性和相位的設(shè)置必須相同。

在硬件連接方面，需要引起注意的問(wèn)題是上電復(fù)位后引腳SS/STE上信號(hào)的極性。如果上電復(fù)位后，引腳SS/STE上為低電平，則有可能收到1位偽數(shù)據(jù)。在四線(xiàn)SPI模式下，如果在從機(jī)的SS/STE引腳上接一個(gè)上拉電阻，就可以避免這種情況的發(fā)生。

如果在通信過(guò)程中，出現(xiàn)串行時(shí)鐘信號(hào)丟失或干擾，將造成數(shù)據(jù)流的不同步，通信的各方就收不到正確的數(shù)據(jù)。所謂“數(shù)據(jù)流不同步”是指數(shù)據(jù)的比特位發(fā)生了偏移。例如，發(fā)送的數(shù)據(jù)是0xA9和0x36，但是收到的卻是0x52和0x6C，數(shù)據(jù)向右移了一位。一旦發(fā)生這種錯(cuò)誤，僅靠硬件是無(wú)法糾正的，若不在軟件中采取措施，則將一直錯(cuò)下去，永遠(yuǎn)收不到正確的數(shù)據(jù)。

采用軟件糾錯(cuò)的關(guān)鍵在于找出偏移的位數(shù)，然后據(jù)此采取措施，得到正確的結(jié)果。一般說(shuō)來(lái)，在通信數(shù)據(jù)中包含了一些特殊字符，用于標(biāo)志數(shù)據(jù)流的開(kāi)始和終止。處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先尋找這些特殊字符。如果不能發(fā)現(xiàn)這些特殊字符，就說(shuō)明數(shù)據(jù)發(fā)生了偏移，需要進(jìn)行糾錯(cuò)處理。具體的處理辦法如下： 假設(shè)數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，用前一個(gè)數(shù)據(jù)的后N位和后一個(gè)數(shù)據(jù)的前（8-N）位重新組成一個(gè)新的數(shù)據(jù)。其中，1≤N≤7。改變N的值，直到從重組的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)特殊字符為止。此時(shí)的N值就是數(shù)據(jù)流發(fā)生偏移的位數(shù)，然后根據(jù)這個(gè)值對(duì)所收到的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行重組,就可以得到正確的結(jié)果。與此同時(shí)，如果還要發(fā)送數(shù)據(jù)，就要對(duì)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)似的處理。因?yàn)槿绻�通信的一方收到的�?shù)據(jù)發(fā)生偏移，那么另一方收到的數(shù)據(jù)肯定也發(fā)生了相同的偏移。

通常要求系統(tǒng)上電復(fù)位后，從機(jī)先于主機(jī)開(kāi)始工作。如果從機(jī)在主機(jī)之后開(kāi)始工作，就有可能丟掉部分時(shí)鐘信號(hào)，使得從機(jī)并不是從數(shù)據(jù)的第一位開(kāi)始接收，造成數(shù)據(jù)流的不同步。可通過(guò)硬件延時(shí)或軟件延時(shí)的方法，來(lái)確保從機(jī)先于主機(jī)工作。

3　實(shí)例

現(xiàn)在以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A和單片機(jī)MSP430F135為例，說(shuō)明如何確保SPI通信中數(shù)據(jù)流的同步。這里采用三線(xiàn)SPI模式，TMS320LF2407A設(shè)置為主機(jī)，MSP430F135設(shè)置為從機(jī)；雙方的時(shí)鐘極性和相位都設(shè)置為無(wú)延時(shí)的上升沿。TMS320LF2407A的主頻為40 MHz，采用定時(shí)發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的方式工作，每間隔800 μs發(fā)送一個(gè)字節(jié)，波特率為200 kHz。這樣設(shè)置的原因是，MSP430F135的主頻為8 MHz，片內(nèi)的RAM只有512字節(jié)，沒(méi)有足夠的RAM用于保存中間數(shù)據(jù)，每接收一個(gè)字節(jié)就得進(jìn)行一次處理，所以必須留有足夠的時(shí)間給MSP430F135進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。每一輪發(fā)送132字節(jié)，由4個(gè)引導(dǎo)字符0xFF加上128字節(jié)的數(shù)據(jù)組成。MSP430F135采用中斷的方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。

以下是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的TMS320LF2407A的SPI通信初始化子程序：

SPI_INIT:

LDP#00E0h

SPLK#0007h,SPICCR

SPLK#0006h,SPICTL

SPLK#003Fh,SPIBRR

SPLK#0087h,SPICCR

RET

下面是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的MSP430F135的SPI通信初始化子程序：

void SPI_init() {

UCTL0&=~SWRST;

UCTL0=CHAR+SYNC;

UTCTL0=0x02;

P3SEL|=0x0f;

P3DIR=0x04;

ME1=USPIE0;

IE1|=URXIE0;

}

在MSP430F135的接收數(shù)據(jù)處理程序中還包含了防止數(shù)據(jù)流發(fā)生偏移的措施，實(shí)現(xiàn)方法與前文所述相同。圖2是接收數(shù)據(jù)處理程序的流程圖。

上述程序是電鍍用開(kāi)關(guān)電源控制程序的一部分。DSP控制器TMS320LF2407A負(fù)責(zé)主電路的控制；單片機(jī)MSP430F135作為輔助控制器，負(fù)責(zé)鍵盤(pán)和液晶顯示器的控制。兩個(gè)微控制器之間通過(guò)SPI通信交換信息。實(shí)際應(yīng)用表明，采用這種方法進(jìn)行SPI通信是可靠的。

4 結(jié)論

SPI通信具有硬件連接簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。采取硬件和軟件相結(jié)合的措施，可以確保SPI通信中數(shù)據(jù)流的同步，實(shí)現(xiàn)可靠通信。通過(guò)電鍍用開(kāi)關(guān)電源中數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A和MSP430F135單片機(jī)之間SPI通信的實(shí)例， 驗(yàn)證了文中提出的三線(xiàn)模式SPI通信中， 防止和糾正比特位發(fā)生偏移的方法的有效性。

圖2 接收數(shù)據(jù)處理程序流程圖止和糾正比特位發(fā)生偏移的方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

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李忠橋(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)殡娫醇夹g(shù)；游小杰、鄭瓊林(博士生導(dǎo)師)，主要研究方向?yàn)榻涣鱾鲃?dòng)。

作者：李忠橋 游小杰 鄭瓊林 來(lái)源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》