怎样设计一个基于AVR单片机的SPI串行外设接口？

1、AVR单片机的SPI接口

SPI（SerialPeripheralINTERFACE---串行外设接口）总线系统是一种同步串行外设接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换，广泛应用于各种工业控制领域。基于此标准，SPI系统可以直接于各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口。SPI接口通常包含有4根线：串行时钟（SCK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）和低电平有效的从机选择线SS。在从机选择线SS使能的前提下，主机的SCK脉冲将在数据线上传输主/从机的串行数据。主/从机的典型连接图如图（1）所示：

图（1）主/从机的连接图

串行外设接口SPI允许ATmega16和外设之间进行高速的同步数据传输。ATmega16SPI的特点如下：全双工，3线同步数据传输，主/从机操作，LSB首先发送或MSB首先发送，7种可编程的比特率，传送中断结束，写碰撞标志检测，可以从闲置模式唤醒，作为主机时具有双速模式（CK/2）。

如图（2）所示，系统包括两个移位寄存器和一个主时钟发生器。通过将需要的从机的SS引脚拉低，主机启动一次通信过程。主机和从机将需要的数据放到相应的移位寄存器，主机在SCK引脚上产生时钟脉冲以交换数据。主机的数据从MOSI移出，从从机MISO移入。从机的数据从MISO移出，从从机MOSI移入。主机通过将从机的SS拉高实现与从机的同步。

图（2）SPI主机-从机的互连

下面将介绍SPI的几个特殊寄存器：

1.1SPI的控制寄存器—SPCR

SPIE为SPI中断使能，置位后，只要SPSR寄存器的SPIF和SREG寄存器的全局中断使能位置位，就会引发SPI中断。SPE置位将使能SPI，DORD置位时数据的LSB首先发送；否则数据的MSB首先发送。MSTR置位时选择主机模式，否则为从机。CPOL置位表示空闲SCK为高电平；否则空闲时SCK为低电平。CPHA决定数据是在SCK的起始沿采样还是在SCK的结束沿采样。通过对SPR1、SPR0进行设计，确定主机的SCK速率。

1.2SPI的状态寄存器—SPSR

SPIF为中断标志位，串行发送结束后，SPIF置位。若此时寄存器 SPCR的SPIE和全局中断使能位置位，SPI中断即产生。进入中断例程后SPIF将自动清零。在发送当中对SPI数据寄存器SPDR写数据将置位WCOL，SPI2X置位后SPI的速度加倍。

1.3SPI的数据寄存器—SPDR

SPDR数据寄存器为读/写寄存器，用来在寄存器文件SPI移位寄存器之间传输数据。写寄存器将启动数据传输，读寄存器将读取寄存器的接收缓冲器。SPI系统的发送方向只有一个缓冲器，而在接收方向有两个缓冲器。也就是说，在发送时一定要等到移位过程全部结束后才能对SPI数据寄存器执行写操作。而在接收数据时，需要在下一个字符移位过程结束之前通过访问SPI数据寄存器读取当前接收到的字符。否则第一个字节将丢失。

比起8051使用软件模拟时序实现SPI功能来，AVR的硬件SPI实在是先进了许多。通过读写相应的寄存器就能轻松实现SPI的操作，使得编程变得更加方面。下面是使用AVR SPI的几个步骤：

首先，应设置相应管脚的读写寄存器以设定数据传输方向。在Mega16里，SPI的接口为以下管脚：PB4-PB7 （SS/MOSI/MISO/CLK）。如果工作在主模式则可以这么写（PORTB=0xff; DDRB=0xBF; PB7（SCK）：输出 PB6（MISO）：输入 PB5（MOSI）：输出 PB4（SS）：输出）

接着还需要设定SPI工作寄存器，控制的寄存器只有三个：SPDR（SPI数据寄存器）、SPCR（SPI控制寄存器）、SPSR（SPI状态寄存器），其中SPDR是读写移位寄存器中的值，SPSR中包括了SPIE：SPI中断使能位 SPE：SPI使能位 DORD：数据传送从最高位或最低位开始MSTR：主从工作方式选择 COPL/CPHA：时钟极性相位选择 SPR1/SPR0：时钟速率选择；SPSR中主要是几个状态标志位，用来做软件查询，SPIF：SPI中断标志位 WCOL：冲则可以如下设置突标志位 如果使用的是软件查询， SPCR中只需要置SPE和MSTR两位。

随后的工作就是往SPDR里读写数据，需要注意的是一次最少读写一个Byte（8 bit）的数据，这和硬件的设计有关。在读取数据前需要先写入数据。可以一次读写一个字节，也可以块读写，在OurAVR上的例程中这两种方式均有。