單片機SPI通信中數據流的同步問(wèn)題研究

SPI是串行外設接口(Serial Peripheral Intcrface)的縮寫(xiě)，通常稱(chēng)為“同步外設接口”，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器件的通信中。與SPI有關(guān)的軟件設計比較簡(jiǎn)單，使CPU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)?，F在，越來(lái)越多的單片機帶有SPI，采用SPI的外圍芯片也與日俱增。采用SPI通信可以簡(jiǎn)化電路設計．提高電路可靠性，降低系統成本。

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。
◇SIMO：從入／主出。
◇SOMI：從出／主入。
◇SCK：串行時(shí)鐘。
◇SS：從屆選擇(在有些芯片中定義為STE信號)。
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SS／STE不起作用；采用四線(xiàn)SPI模式時(shí)，SS／STE信號為高電平時(shí)禁止從機接收和發(fā)送數據，SS／STE信號為低電平時(shí)允許從機接收和發(fā)送數據。SPI通信足一種基于主一從配置的通信，提供串行時(shí)鐘信號的―方是主機，其他的為從機。圖l為2種通信模式下2臺單片機之間的連接圖。如果一個(gè)系統中有多臺從機，那么主機就要為每一臺從機提供一個(gè)從屬選擇信號，以確保任一時(shí)刻只有一臺從機起作用。

在SPI通信中，數據是同步發(fā)送和接收的。在串行時(shí)鐘信號的作用下，主機在通過(guò)SIMO信號線(xiàn)發(fā)送數據的同時(shí)，也在通過(guò)SOMI信號線(xiàn)接收從機發(fā)送的數據；從機在通過(guò)SIMO信號線(xiàn)接收數據的同時(shí)，也在通過(guò)SOMI信號線(xiàn)向主機發(fā)送數據。Motorola公司沒(méi)有定義任何通用SPT的時(shí)鐘規范，但是所有具有SPI功能的單片機中，都可以通過(guò)設置相應的寄存器來(lái)設置時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。對時(shí)鐘極性的設置決定了靜止時(shí)SPI串行時(shí)鐘的有效狀態(tài)，而對時(shí)鐘相位的設置則規定了處理器在何時(shí)發(fā)送和接收數據。之所以如此，是為了適應不同外設和線(xiàn)路的需要，因為有些外設在時(shí)鐘信號的上升滑鎖存數據，而有些外設則在時(shí)鐘信號的下降沿鎖存數據。
SPI傳輸串行數據時(shí)，首先傳輸數據的最高位。波特率可以達到幾Mbps，實(shí)際速度不僅取決于SPI硬件，而且還受到軟件設計的約束。

2 數據流的同步
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，數據傳送一旦開(kāi)始，就要求每幀信息內部的每一位都要同步。也就是說(shuō)，不僅字符內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)雙方對每一位都同步。顯然，這種通信方式對時(shí)鐘同步要求非常嚴格。為此，收／發(fā)兩端必須使用同一時(shí)鐘來(lái)控制數據塊傳輸中字符與字符、字符內部位與位之間的同步。
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?？梢员环譃?個(gè)部分：語(yǔ)法、語(yǔ)義和定時(shí)關(guān)系。這3部分分別規定了通信雙方“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。通常在數據塊的前面冠以同步字符，在數據塊的結尾加上差錯控制字符就構成了同步通信的一幀數據。通過(guò)選擇工作模式，設置波特率、時(shí)鐘極性和相位以及軟件的設計，就可以實(shí)現數據流的同步。
在雙機或一臺單片機與一片外圍芯片的SPl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信號線(xiàn)用來(lái)對從機進(jìn)行選擇。在一主多從的SPI通信中，主機必須為每一臺從機或外圍芯片提供一個(gè)SS／STE信號。使得任一時(shí)刻只有一臺從機或外圍芯片起作用。如果所有的從機都只從主機接收數據，而不向主機發(fā)送數據，那么也可以使用三線(xiàn)SPI模式。SS／STE信號也可以用來(lái)對主機進(jìn)行選擇，不過(guò)通信將變得很復雜。選擇正確的工作模式是進(jìn)行可靠的SPI通信的前提。
SPI通信是在主機提供的時(shí)鐘信號驅動(dòng)下進(jìn)行的，設置波特率就是設置主機提供的時(shí)鐘信號的頻率。因此，波特率的設置就顯得相當重要。需要多方考慮。單片機與其外圍器件進(jìn)行通信時(shí)，一次可能只發(fā)送1個(gè)或2個(gè)字節的數據，可以把波特率設得高一些，只要不超過(guò)硬件允許的范圍即可。如果是兩臺單片機之間進(jìn)行通信，那么每次傳送的往往是一組數據，否則就失去了同步通信的意義。這種情況下，就必須考慮接收數據一方的運行速度。因為無(wú)論是采用查詢(xún)還是中斷方式接收數據，每收到1個(gè)字節或1個(gè)字的數據后，接收方的單片機就必須從接收緩沖寄存器中取一次數據。這個(gè)過(guò)程必須在下一個(gè)字節或字傳送完畢前結束。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)生溢出錯誤。例如，完成這個(gè)過(guò)程需要4μs，當接收緩沖寄存器為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。有的單片機片內RAM有限，沒(méi)有足夠的RAM空間用來(lái)保存中間數據，每收到1個(gè)字節或字的數據就必須處理一次。這樣一來(lái)，串行時(shí)鐘的波特率就需要設置得更低。
當單片機與其外圍芯片進(jìn)行SPI通信時(shí)，應當根據外圍芯片的時(shí)序來(lái)設置串行時(shí)鐘的極性和相位。例如，某芯片在時(shí)鐘信號的上升沿接收SPI線(xiàn)上的數據，那么主機就必須采用無(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數據。當兩臺單片機之間進(jìn)行SPI通信時(shí)，雙方對時(shí)鐘信號極性和相位的設置必須相同。
在硬件連接方面，需要引起注意的問(wèn)題是上電復位后引腳SS／STE上信號的極性。如果上電復位后，引腳SS／STE上為低電平，則有可能收到1位偽數據。在四線(xiàn)SPI模式下，如果在從機的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，出現串行時(shí)鐘信號丟失或干擾，將造成數據流的不同步，通信的各方就收不到正確的數據。所渭“數據流不同步”是指數據的比特位發(fā)生了偏移。例如，發(fā)送的數據是0xA9和0x36，但是收到的卻是Ox52和0x6C，數據向右移了一位。一旦發(fā)生這種錯誤，僅靠硬件是無(wú)法糾正的，若不在軟件中采取措施，則將一直錯下去，永遠收不到正確的數據。
采用軟件糾錯的關(guān)鍵在于找出偏移的位數，然后據此采取措施，得到正確的結果。一般說(shuō)來(lái)，在通信數據中包含了一些特殊字符，用于標志數據流的開(kāi)始和終止。處理數據時(shí)，首先尋找這些特殊字符。如果不能發(fā)現這些特殊字符，就說(shuō)明數據發(fā)生了偏移，需要進(jìn)行糾錯處理。具體的處理辦法如下：假設數據以字節為單位，用前一個(gè)數據的后N位和后一個(gè)數據的前(8-N)位重新組成一個(gè)新的數據。其中，1≤N≤7。改變N的值，直到從重組的數據中發(fā)現特殊字符為止。此時(shí)的N值就是數據流發(fā)生偏移的位數，然后根據這個(gè)值對所收到的其他數據進(jìn)行重組，就可以得到正確的結果。與此同時(shí)，如果還要發(fā)送數據，就要對發(fā)送出去的數據進(jìn)行類(lèi)似的處理。因為如果通信的一方收到的數據發(fā)生偏移，那么另一方收到的數據肯定也發(fā)生了相同的偏移。
通常要求系統上電復位后，從機先于主機開(kāi)始工作。如果從機在主機之后開(kāi)始工作，就有可能丟掉部分時(shí)鐘信號，使得從機并不是從數據的第一位開(kāi)始接收，造成數據流的不同步?？赏ㄟ^(guò)硬件延時(shí)或軟件延時(shí)的方法，來(lái)確保從機先于主機工作。

3 實(shí)例
現在以數字信號處理器TMS320LF2407A和單片機MSP430F135為例，說(shuō)明如何確保SPI通信中數據流的同步。這里采用三線(xiàn)SPI模式，TMS320LF2407A設置為主機，MSP430F135設置為從機；雙方的時(shí)鐘極性和相位都設置為無(wú)延時(shí)的上升沿。TMS320LF2407A的主頻為40 MHz，采用定時(shí)發(fā)送／接收數據的方式工作，每間隔800μs發(fā)送一個(gè)字節，波特率為200 kHz。這樣設置的原因是，MSP430F135的主頻為8 MHz，片內的RAM只有512字節，沒(méi)有足夠的RAM用于保存中間數據，每接收一個(gè)字節就得進(jìn)行一次處理，所以必須留有足夠的時(shí)間給MSP430F135進(jìn)行數據的處理。每一輪發(fā)送132字節，由4個(gè)引導字符0xFF加上128字節的數據組成。MSP430F135采用中斷的方式接收／發(fā)送數據。
以下是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的TMS320LF2407A的SPI通信初始化子程序：

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

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

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負責主電路的控制；單片機MSP430F135作為輔助控制器，負責鍵盤(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)際應用表明，采用這種方法進(jìn)行SPI通信是可靠的。

4 結論
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合的措施，可以確保SPI通信中數據流的同步，實(shí)現可靠通信。通過(guò)電鍍用開(kāi)關(guān)電源中數字信號處理器TMS320LF2407A和MSP430F135單片機之間SPI通信的實(shí)例，驗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。