SPI的接口及其应用

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分类:HYPＥRLINK＂＂ARＭ及程序设计｜

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订阅1SPＩ接口的特点ﻫ

目前很多单片机都配置有SPＩ、I2C或UART等串行接口.在SPＩ、Ｉ2C及UAＲT三种串行接口一般情况下速度最快的是SPＩ.I2C接口由于是二线协议速度很难超过1MHz/Bit，而UART工作在方式0（８位移位寄存器)时时钟速度为系统时钟的十二分之一（Ｆosc/12),而ＳＰＩ接口时钟速度一般为系统时钟的四分之一（Fosc/4)。典型SPＩ接口结构如图1所示。ﻫ

ﻫ

串行外围设备接口ＳPI(sｅriaｌperipｈｅrａliｎterｆace）总线技术是Motｏroｌa公司推出的一种同步串行接口,Mｏtorola公司生产的绝大多数ＭCU(微控制器）都配有SPＩ硬件接口，如68系列MCＵ.SPI用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI可以同时发出和接收串行数据。它只需四条线就可以完成MCＵ与各种外围器件的通讯,这四条线是:串行时钟线(CSK）、主机输入／从机输出数据线(MISO)、主机输出/从机输入数据线(MＯSＩ）、低电平有效从机选择线CS。这些外围器件可以是简单的TＴL移位寄存器，复杂的ＬCD显示驱动器，Ａ／D、Ｄ／A转换子系统或其他的MCＵ。当SPI工作时,在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚(MOSI）输出(高位在前）,同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器(高位在前）。发送一个字节后,从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。主SPI的时钟信号（ＳCK）使传输同步。SPＩ主要特点有:

可以同时发出和接收串行数据;

可以当作主机或从机工作；

提供频率可编程时钟;ﻫ

发送结束中断标志;

写冲突保护;ﻫ

总线竞争保护等。ﻫ

图2和图３中还给出了SPI总线工作的四种方式及ＳPＩ总线接口的时序.ＳPI模块为了和外设进行数据交换,根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPＯL）对传输协议没有重大的影响.如果ＣPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPＯＬ＝１，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPＨA＝0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降)数据被采样;如果CPＨA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降）数据被采样.SPI主模块和与之通信的外设的时钟相位和极性应该一致。

ﻫ

图2

图3

2利用SPI接口驱动LEＤ显示屏ﻫ

从图1可以看出SPI接口的核心部分是８位串行移位寄存器，而ＬED单元板的最基本元件74ＨC595也是8位串行移位寄存器,因此适当地设计单片机ＳPＩ和LED单元板的连接可以高速将显示数据传送到LED显示屏。显然将一个ＳPＩ器件对应于单元板的一条扫描线可最大限度发挥SPI器件的速度优势.对应于一个扫描线不多而每扫描线又很长的情况下(超长ＬED条屏）使用一个SPI器件对应于单元板的一条扫描线可输出速度高达系统时钟的四分之一（Fｏsｃ／4）或更高。而SPI接口的FLAＳH存储器件工作速度更可达50MＨｚ/Ｂｉｔ以上,如只以ＳＰI接口的ＦLＡＳH存储器件工作速度来计算:设一场扫描时间为16MＳ,在扫描模式为１6时（1／１６扫描）,输出一行的时间为1MS，则LED屏水平方向点数=100０μS／（1／50MHz）=50000点。可以说是一个“超超”长的ＬED条屏。但这是不可能的,因为单元板中74ＨC595的工作频率一般为16ＭＨz以下，也就是说50000点至少要除3。有关超长ＬED条屏的详细介绍见下一章.

在上一节中我们将RＡM的显示数据输出不经CPＵ处理直接送LEＤ显示屏显示,数据流和控制如图4(a)所示.CPU此时只做地址加一和读操作，这时的读（虚读）是为了单元板串行移位时钟。这种理念同样可用于SPI接口的FLASＨ存储器件。其数据流和控制框图如图４(ｂ）所示.

ﻫ

从图4（b）中可以看出：当CPU从串行FLASH中读数据时,串行FLASH的Ｓo端的数据在CPU的SCK作用下输出的同时移入7４HC16４,当两个字节共16位从串行FLASＨ输出并移入74HC164后由CPU给单元板发串行移位时钟。这是一个经典的串并转换,其特点是数据不经CPＵ处理旁路直接输出.VRS5１Ｌ3074单片机有两个特殊功能正好为图4(b)所示的电路使用。一是一次SPI启动后可输出多个字节（1至3２位）,二是输出多个字节后自动在特定引脚上输出一个负脉冲。特别重要的是VRS５1L30７４单片机SPI时钟为系统时钟的二分之一（Fosc/2）。多个字节特性可保证数据连续输出的速度，而输出负脉冲特性进一步提高了整体程序处理的速度.

图4(b）中串行移位寄存器使用的是74HC16４而不是74HC595做串并转换，是因为74HＣ59５多了一级输出锁存器时序上需要额外的控制信号.也可以选用其它带SＰＩ接口的单片机作为控制芯片，但需要软件实现单元板串行移位时钟。不论控制电路为图4（a)或图4(b）中的哪一种,其前提是一行显示数据在存储器中连续排列.众所周知计算机中为加速数据传送一般采用ＤＭA方式,而图４(a）、（b）正是基于这样的理念设计的，让显示数据从存储器直接“DMA”到LEＤ显示屏输入口.简单地说一切影响速度的环节我们都应该想办法用硬件或软件的手段“DＭA”，软件手段“DMA"只有一个基本点就是在硬件允许的前提下，尽最大努力减少完成同一功能模块的指令执行时间。下面通过图5所示的ＳPI方式LＥD显示屏控制电路加以说明。

ﻫ图５

图５（ａ）为74HＣ164内部结构图。图5(ｂ)为基于SＰI串行FLASＨ存储器旁路输出的ＬED显示屏控制系统.CPU可选用SＳT89E５1６或ＶRS51L3０７4均可。SＳT89E5１6在倍频使用18MHＺ晶振时ＳPI的SCK移位脉冲可达９MＨz。而VＲS51L３07４在使用内部4０晶振时SPI的SCＫ移位脉冲可高达20ＭHｚ。对于VRＳ51L3074来说P1。0和P1．１为SPI的片选信号,P1。3在传送8位后可自动产生一个负脉冲。所以使用ＶRＳ５1L3074时只需对SＰI接口配置后直接连续启动ＳPI输出即可。如果使用的是SST8９E516只能以手动方式片选FLASH存储器,输出一个字节后用软件产生ＳＣK移位信号,由于此时CＰU端SPI输出只是用于启动SPI传送，如果我们固定启动SPＩ传送的数据使用0x80，在ＭOSI端将每间隔8位输出一位高电平，这个信号可用于产生SCＫ移位脉冲.从图1可以看出启动数据0x80产生的脉冲发生在SPI传送的开始,故最后要启动一次SＰI传送以保证最后一个字节被移入LＥD显示屏.有关VＲS5１Ｌ30７４和SST８９E51６的SPＩ配置请查阅相关器件数据手册.图6是VＲS５1L3074连续传送一块单元板长度数据的程序模块。ﻫ程序（a）中ＳＰI的输出为标准循环查询模式。由于VRＳ51L3074的SPI输出速度设定为20MHｚ，在使用内部晶振40ＭHz时一位的传送时间为2个振荡周期.８位共需用16个振荡周期.程序（a)中第１2行启动ＳＰI传送后1４行开始读ＳPI传送是否完成的状态。此时ＳPI传送显然没有完成,经14、15、16后再回到14行读ＳPI完成状态时最多经过了12个振荡周期，此时SＰI传送还没有完成。只有第3次到1４行读SPＩ状态时SPI传送肯定完成了。这时一个字节的传送时间=3＋3+３×(3+２+4）＋５=38个振荡周期，而３8个振荡周期在程序(b）中可以传送２个字节。程序（b）的ＤAA指令为延时指令，4个DAＡ指令用时16个振荡周期，我们没有必要检测SPI状态,只是保证正确的SＰI时序。程序（b）比程序（a)速度快一倍。图６(b）中CＰU采用内部晶振4０MHｚ的ＶRＳ５1L3０74水平方向的LED单元板点数为2０48（一场16ＭS)，垂直方向的单色１28双色64点。如果用2片７4HC164级连垂直方向单色２5６双色128点，但水平方向的点数减为1024.如果图6（ｂ）中CＰU采用外部晶振2０MHz倍频的ＳST89E５16其SPＩ输出速度只能到１0ＭHz,再加上SＳＴ8９E5１6为6T单片机而VRＳ51L3０74为1Ｔ单片机,其综合输出性能最多到ＶRS51Ｌ30７4综合输出性能的４0％。３单片机直接驱动LEＤ显示屏应用实例本文以一例单片机直接驱动LED显示屏的实例,对前面章节中所提到的数据组织、程序优化作小结。如图7所示，硬件电路部分采用最简单的“单片机最小系统＋08接口+LED显示屏”组成.其中单片机采用SＳT89Ｃ5８，工作频率为12ＭHz，LEＤ显示屏为一块通用室内双基色单元板。该电路为最简ＬED显示屏工作系统，适用于小型LED显示系统，具有显示效果丰富、成本低廉、易于控制等有点，并且该系统已在实际应用项目中通过测试。如图7所示,设定显示区域４倍于显示屏,即Dw=2×Lw,Dｈ＝2×Lh，其余参数定义见程序(LED屏和显示区域参数与第4章中符号定义相同）。例1中给出的程序可以完成LED显示屏（图8中灰色区域）在显示区域ＡCIG中垂直、水平、对角移动这些功能,已在KeilｕＶiｓｉoｎ3的3.03版本中编译通过.其中最重要的函数是ｖoiddisｐlaｙ（)，它包括了对存储器的访问、数据输出、显示控制这3大功能。对于存储器的方法完全根据第五章数据组织中的公式而来,因此数据查找详细分析见第五章。该函数的执行效率直接关系到显示屏的显示效果,所以必须对它进行最大程度的优化。

整个LED显示屏组成仅用一块双基色单元板,所以如图7所示，数据口Ｐ0仅用P0．0～P0．３四条I/O线对应输出D0～Ｄ３，因此实际生成数据只有低4位有效。为便于读者理解和修改、测试数据,故设置显示区域所有文字为黄色，例如当上半屏某象素点点亮为黄色时,该点绿色和黄色LED必然同时点亮才能混合显示黄色，所以R１和G1数据线上对应的数据必须同时置１,存储器中数据为“０xＦ3”.如果读者希望验证某点或整个数据显示区域显示内容是否正确，只需要按照第五章中数据组织方法找出对应字节,修改对应红、绿扫描线的数据位即可实现所希望显示的效果.由于显示区域数据较多，因此对例1中数组Dｉｓpａｌy_Fｏｎt进行压缩。如图７所示，该系统只使用Ｄ0～Ｄ３,4条数据线，所以显示区域数据高4位为无效数据，可以用任意数据替换，按照一般编程习惯，可以采用“F”替换高四位.数据扩展方法为：每个1６进制数对应扩展为原数据低4位，例如“5”，扩展后应该为“０xF5，”。注意编译前必须去掉最后一个数据后面的逗号。建议使用UｌtraＥｄit软件的列操作功能进行修改。例１:ﻫ／／＊＊＊＊＊＊＊＊＊***＊*＊*＊＊＊*＊＊＊＊＊＊＊**＊＊＊＊*＊****＊＊**********＊**＊＊＊＊＊＊＊＊****＊*＊*＊**＊***ﻫ以下为工程主文件和数据文件,注意测试时请包含数据文件<Tesｔ＿Ｄata．c＞

**＊＊*＊*＊**＊＊＊*＊*＊＊*****＊＊**＊＊*＊＊*＊**＊＊＊*＊＊＊＊＊＊＊**＊＊＊**＊＊＊＊＊＊＊*＊＊＊***＊＊＊＊*＊*＊*／/ﻫ/／＊＊＊＊＊*＊＊*＊＊＊＊*＊＊*＊*＊＊＊*＊*＊**＊*＊＊＊＊＊*＊*＊**＊*＊＊**＊**＊＊*＊＊＊＊*＊***＊＊*＊＊＊*＊＊＊***＊*ﻫ主文件〈main．c＞ﻫ****＊＊*＊＊＊**＊＊**＊＊*＊＊＊*＊＊*＊*＊**＊＊*＊＊＊＊*＊＊*＊***＊＊＊*＊＊＊＊＊*＊**＊＊＊＊*＊＊*＊＊**＊*＊*＊*//

#ｉｎcｌuｄe〈RＥG5１.H〉／／8051特殊功能寄存器说明头文件ﻫ＃ｉｎclｕde＜Ｔest＿Datａ.c>//标准库文件ﻫ＃dｅfinｅDw128//显示区域长度ﻫ＃defineDh６4／/显示区域高度

#dｅfiｎｅLw64//LED显示屏宽度ﻫ#definｅLh32／/ＬED显示屏长度ﻫ#deｆiｎｅSw16／／LED显示屏的扫描宽度ﻫ＃ｄｅｆiｎeＥN_OＮ１

#defｉneＥN_OFF0

sfrＣTRL_ＰOＲT=0xa０；//定义扫描线Ａ、B、C、Ｄ分别对应Ｐ２。0、P2.1、Ｐ２.２、P2.3ﻫsfrDATA＿PＯRT0=０x80;//定义并行数据输出端口为P0口ﻫsｂｉtE=Ｐ2^5；//定义显示允许控制信号ﻫｓbitRCK＝P2^6；/／定义７4HC595锁存信号ﻫｓbitSCK＝P2^7；//定义74HＣ595移位信号ﻫ//＊＊***＊*＊*＊*＊＊***＊＊＊*＊*＊**＊**＊＊＊*＊*＊*＊*＊＊＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊＊＊＊*＊*＊*＊＊***＊**＊＊*＊**＊＊*＊

显示核心程序ﻫ功能:

根据指定显示数据起始地址，在对应显示区域中查找数据,并完成一屏数据输出显示ﻫ参数说明:

ＸL:数据起始地址的x坐标ﻫYL:数据起始地址的ｙ坐标ﻫｄiｓpｌａy＿ｃouｎt:每屏显示次数，可以控制移动速度,数值越大单屏显示时间越长,移动速度越慢ﻫ＊*＊*＊＊＊*＊＊**＊＊＊*＊＊＊＊*＊＊******＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊*＊＊*＊＊＊***＊＊＊*＊***＊＊＊＊＊*＊*＊*＊＊＊**＊***//

voiddisｐlay(unsiｇｎedｉｎtXL,ｕnsignedintYL，unsignedinｔdiｓｐlａｙ_ｃount)ﻫ{ﻫunｓｉgneｄcharlｉne；//扫描线循环选择变量

unｓiｇｎedcｈarｃｏl；／/控制横向移动长度变量

uｎsigｎedｃharｃｏｄe*ram_point；//显示数据访问指针

ｕnｓignediｎｔk，rａm_bｅgｉn_addr;／／数据起始地址

for（ｋ=0；k〈diｓplay_couｎｔ；k++）//单屏循环次数控制

{ﻫfor（line=0;ｌiｎe＜Sw;ｌinｅ++)//扫描行循环控制

{

ｒam_begin_aｄdr=Ｄｉspａlｙ_Ｆont；

raｍ＿pｏinｔ=raｍ_ｂegｉｎ_addr＋YL*Ｄw+XＬ＋lｉne*Dw；／／数据查找

E=EN＿ＯN；//开显示ﻫfor（coｌ＝Ｌｗ；coｌ〉０；col—-)/／每次循环完毕即送出完整一行数据到74HＣ595ﻫ/／移位寄存器

{ﻫDATA_PORT0=*ram_ｐoiｎt；

raｍ＿poinｔ++;ﻫSCK＝0；SCK=1；／/74HＣ59５移位寄存器信号ﻫ}

E＝EＮ_OＦF;

ＲCＫ=0;RCＫ=1；//７4ＨC59５锁存信号ﻫCTRL＿PORT=CTRＬ_ＰＯＲＴ＆0ｘｅ０;ﻫCTRL_PORT=ＣＴRL_ＰORT｜line;/／选择扫描行线

｝

｝ﻫ}

voiｄmaｉn（ｖoiｄ）

{ﻫunｓigneｄintＸL，y，cｏuｎt=80;ﻫdisplay（０,０，30０0）；

wｈｉle（1）

｛ﻫfor（ＸL＝0；ＸL<Dw/2；ＸL++)//水平右移，从ＡBED区域,向ＢＣFE区域移动ﻫdiｓｐｌay(XＬ，0,coｕnt)；

ｆor（XL=Dw／2；ＸL＞０；ＸＬ—-)//水平左移，从BCFＥ区域，向ＡBED区域移动ﻫdisplaｙ（ＸL,0，coｕnt);

for(YＬ=0;YL<Dh/2；ＹL++)//垂直移动,从ABED区域,向DＥHG区域移动

diｓplay（0，YＬ，coｕｎt）；ﻫfor(YＬ＝Dｈ/２;YＬ>0；YL-—)//垂直移动，从DＥHG区域,向AＢED区域移动

diｓｐlay（0，y，count）;

ｆoｒ(XL=0；x<Ｌｈ；ＸL+＋)／/对角线移动,从ＡBED区域,向EＦＩH区域移动

displａy（XL＊2,XL,ｃｏunt）;

foｒ（XL=Lｈ;XL〉0;XL-—）//对角线移动,从ＥFIH区域，向ＡBED区域移动ﻫdiｓplay（ＸL＊2,XL,couｎｔ)；ﻫfor(ＸL=Lh；XＬ＞0；ＸL-－)//对角线移动，从BCFＥ区域,向DEＨG区域移动

ｄiｓplaｙ（ＸＬ＊2,Ｌh－ＸL，couｎｔ)；ﻫｆor(XＬ＝0;XL＜32；XL+＋)//对角线移动，从DＥＨＧ区域，向BＣFE区域移动

display（ＸL*２，Ｌh-XL,counｔ）；ﻫ｝

}

//＊＊＊**＊*＊＊＊*＊*＊**＊＊＊*＊＊***＊*＊*＊＊*＊＊＊*＊＊*＊＊＊**＊＊＊＊＊＊＊＊**＊*＊＊**＊*＊*＊＊***＊＊＊＊＊**＊

数据文件〈Ｔｅsｔ_Ｄａｔa．c>ﻫ＊＊＊＊＊*＊＊＊*＊*＊＊＊＊＊＊*＊＊＊＊＊＊**＊*＊＊*＊＊＊＊＊*＊＊＊＊*＊＊**＊＊***＊＊*****＊**＊*＊*＊**＊**＊＊*＊*//

//＊＊＊＊＊**＊***＊＊*＊＊**＊*＊*＊＊＊＊＊＊**＊＊＊**＊＊*＊＊＊*＊＊*＊＊*＊*＊*＊****＊*＊*＊＊*＊***＊****＊＊**

显示区域数据,共计6１4４个1６进制数据ﻫ数据替换方法：

将“F”、“A”、“5"、“0”,分别依次替换为“0xＦF,"、“０ｘFＡ，”、“0xF5,”、“0xF0，”,去掉最后一个数据后面的逗号即可编译

＊＊＊＊＊**＊＊*＊＊＊**＊*＊＊＊*＊＊＊**＊＊＊＊*＊＊***＊＊＊*＊＊＊＊**＊＊**＊＊＊*＊*＊＊＊＊＊＊**＊＊*＊＊**＊＊＊*＊＊//ﻫunsignｅdchaｒcodｅDｉspａly＿Foｎt［１28］[48］=｛

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