SPI接口如何实现微控制器之间的通信

　　嵌入式系统可使用一个或多个处理器或微控制器，在更复杂的系统中执行专用操作。这些嵌入式控制器需要与其他系统元件、传感器甚至其他控制器进行通信。虽然复杂的串行接口和协议很常见，但可能很难进行编程和故障排除，特别是在与之通信的设备数量较少时尤其如此。

　　设计人员需要具有简单的设备到设备数字接口的微控制器、外设和传感器，以便可以高速处理任意长度的数据，并且省去与协议相关的复杂编程任务。

　　简单的解决方案是选择带有串行外设接口（SPI）的控制器，这样可将控制器连接到一些本地的外设 IC 或传感器。这种接口是一种简单的同步接口，使用硬件寻址并以高达 50 兆赫兹（MHz）的时钟速率运行。SPI 不使用需要寻址和状态检查的复杂协议，相反，它是适用于快速数据传输的基本接口，无需复杂接口总线的编程开销。

　　本文将介绍 SPI 接口的基础知识（包括多种工作模式），然后介绍具有 SPI 接口的微控制器和其他设备，并且说明如何使用 SPI 接口。

　　什么是 SPI？

　　SPI 是由摩托罗拉（现为 NXP Semiconductors 公司的一部分）于 1985 年前后开发，是一种适用于短距离、设备到设备通信的同步串行接口。从那时起，这种接口就已成为许多半导体制造商，特别是微处理器和微控制器采用的事实标准。

　　SPI 之所以广受欢迎，是因为它有很多优点。首先，SPI 是一种简单的硬件寻址接口，在传输的位数方面具有全面的灵活性。该接口采用具有单个主设备的主从模型，可使用以高达 50 MHz 时钟速率运行的全双工通信来处理多个从设备。它不使用标准协议，仅传输数据包，因此非常适合传输长数据流。

　　SPI 最多可使用四条信号线（图 1）。主设备（通常是处理器或控制器）为时钟（SCK）和片选（CS）信号线供电并进行控制。全多工操作由数据线“主出从入（MOSI）”和“主入从出（MISO）”进行处理。在简单的单主单从配置中，可以省去片选信号线，并将从设备的 CS 输入强制作为启用的逻辑条件。如果从设备只能发送数据（半双工通信），那么还可以省去 MOSI 线，进一步减少信号计数。数据按时钟信号输出，这样数据传输类似于移位寄存器，每个时钟移出一位。

　　图 1：基本 SPI 全双工连接使用两条数据线（MOSI、MISO）、一条时钟线（SCK）和一条片选线（CS）。从设备上的 MOSI 有时标记为从设备数据输入（SDI）。MISO 可标记为从设备数据输出（SDO）。（图片来源：Digi-Key Electronics）

　　目前有两种方法可以处理多个从设备（图 2）。

　　图 2：两种处理多个从设备连接的配置。直接连接方式下每个从设备需要一个片选信号。菊花链连接方式仅使用一个片选信号，并将所有数据集中在一条线上。（图片来源：Digi-Key Electronics）

　　直接连接方式下每个从设备使用一条片选信号线。大多数微处理器都有三到四条片选线，这就将从设备的最大数量限制为片选线的数量。这在多数情况下不会出现问题，但如果某个设计需要总线上有更多的设备，这时可以使用菊花链方法配置一些设备。通过菊花链，多个从设备可使用一个共用的片选信号，而数据则通过共用数据线流出。这里再次将 SPI 从设备用作移位寄存器，来自从设备的数据可以在串行多路复用流中传播。

　　SPI 时钟模式

　　由主设备控制并生成时钟。时钟的两个属性分别是时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）。这些属性控制从设备相对数据进行计时的有效时钟边沿。CPOL = 0 时，将时钟设为在逻辑 0 位置空闲。CPOL = 1 时，时钟在逻辑 1 位置空闲。CPHA = 0 时，数据在上升沿计时，CPHA = 1 时，数据在下降沿计时（图 3）。

　　图 3：SPI 时钟模式选择确定了进行数据采样的有效时钟边沿。（图片来源：Digi-Key Electronics）

　　主设备中的 CPOL 和 CPHA 线路设置决定了时钟极性以及进行数据计时的有效边沿。模式 1 是最常用的模式，但设计人员同样可以使用其他三种模式。

　　在示波器上可以观察 SPI 传输的三个信号分量（图 4）。在此示例中，传输的是 8 位数据包。用于观察数据传输的是 Te ledyne LeCroy 的 HDO4104A 示波器及其 SPI 串行解码选件。

　　图 4：在 Teledyne LeCroy 的 HDO4104A 示波器（配有串行解码选件）上查看的 SPI 互换示例。波形如下：上面的轨迹是数据线，中间的轨迹是时钟，底部的轨迹是片选信号。数据轨迹上的蓝色覆盖区显示的是十六进制解码内容。（图片来源：Digi-Key Electronics）

　　模式 1 时钟由八脉冲组组成，其中空闲设置为 0 位（CPOL = 0），数据在后沿或下降沿（CPHA = 1）计时。本示例中使用的示波器配有串行解码选件，用于对数据内容进行解码。在数据轨迹上的蓝色覆盖区读出十六进制的数据内容。解码仅与片选信号线被断言（0 电平）时发生的数据有关。总共有 17 个时钟猝发，但只有其中 5 个猝发对应有效片选状态。

　　波形显示栅格下方的表格中列出了有效数据内容，还有每个数据包相对于示波器触发器的时间以及测量的时钟速率（本例中的速率为 100 kb/s）。每个猝发中的时钟周期数可设定从设备按时钟输出的数据位数。

　　微处理器 I/O 选择

　　Microchip Technology 的 ATtiny816-MNR 是多种微控制器的典型代表，因为它支持多个 I/O 接口（图 5）。这款特别的控制器采用高性能、低功耗的 AVR®RISC 架构，运行频率高达 200 MHz。该控制器可由 4 或 8 KB 闪存、256 或 512 字节的 SRAM 以及 128 字节的 EEPROM 进行支持，所有这些存储器均集成在一个 20 引脚封装内。

　　图 5：Microchip Technology 的 ATtiny816 微控制器框图突出显示了 I/O 端口。该控制器配有一个 SPI 端口和一个 USART 端口，其中 USART 端口可配置为第二个 SPI。（图片来源：Microchip Technology）

　　此微控制器的接口侧配有一个通用同步和异步收发器（USART）、一个 I2C 兼容型双线接口（TWI）和 SPI。USART 可配置为第二个 SPI 端口。

　　SPI 可使 AVR 设备和外围设备之间，或几个微控制器之间实现全双工通信。SPI 外设可以配置为主设备或从设备，从而实现微控制器之间的通信。

　　基于 SPI 的传感器

　　各种通过 SPI 提供数字数据的传感器可以与集成了 SPI 的大量微处理器和微控制器配套使用。例如，Microchip Technology 的 TC77-3.3MCTTR 数字温度传感器是一种可串行访问的数字温度传感器，适用于小外形尺寸、低成本的应用。TC77 的温度范围为 -55°C 至 +125°C。该传感器采用 2.7 V 至 5.5 V 电源，运行时消耗 250 微安（μA）电流，并具有仅消耗 1μA 电流的低功耗关断模式。

　　在典型应用中，此传感器可通过标准 SPI 连接与处理器相连，其温度数据可格式化为 13 位数字值，如图 6 所示。

　　图 6：Microchip Technology 的 TC77 是一款易于使用的温度传感器，不仅外形小巧，而且成本低廉。此温度传感器可以快速连接到控制器或处理器，将温度读数转换为 13 位数字值。如时序图所示，通过将 CS 信号线断言为逻辑 0 可启动通信。（图片来源：Microchip Technology）

　　该图显示了 T77 温度寄存器读取操作的时序图。通过断言 CS 信号线并将其置于逻辑 0，可以启动通信。然后，传感器会发送第一位数据。微控制器在 SCK 的上升沿读取数据。随后使用 SCK 的下降沿输出传感器的其余数据。与前面的示例一样，此图也是模式 1 传输，只不过数据字较长。

　　扩大 SPI 的使用范围

　　除了在许多微处理器和微控制器中包含 SPI 之外，一些 IC 制造商还增强了该总线的功能。Analog Devices 的 LTC6820 isoSPI 隔离式通信接口就是个很好的例子。该 IC 为使用差分信号并通过一条双绞线连接进行通信的两个 SPI 设备提供电流隔离（图 7）。尽管时钟速率比 10 米距离时的 1 Mb/s 标称速率有所降低，但这种信号模式将 LTC6820 SPI 接口的可用范围延长到远达 100 米（m）。