深入了解微控制器和外圍IC之間使用最廣泛的接口之SPI

串行外設(shè)接口 (SPI) 是微控制器和外圍 IC（如傳感器、ADC、DAC、 移位寄存器、SRAM等）之間使用最廣泛的接口之一。

SPI 是一種同步、全雙工、主從式接口。來自主機或從機的數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿同步。主機和從機可以同時傳輸數(shù)據(jù)。SPI 接口可以是3線式或4線式。本文重點介紹常用的4線SPI接口。

接 口

4 線 SPI 器件有四個信號：

時鐘(SPICLK,SCLK)

片選(CS)主機輸出

從機輸入(MOSI)主機輸入

從機輸出(MISO)

產(chǎn)生時鐘信號的器件稱為主機。主機和從機之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機產(chǎn)生的時鐘同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的時鐘頻率。用戶應(yīng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊以了解SPI接口的時鐘頻率規(guī)格。

SPI接口只能有一個主機，但可以有一個或多個從機。圖1顯示了主機和從機之間的SPI連接。

圖1. 含主機和從機的SPI配置

來自主機的片選信號用于選擇從機。這通常是一個低電平有效信號，拉高時從機與SPI總線斷開連接。當(dāng)使用多個從機時，主機需要為每個從機提供單獨的片選信號。本文中的片選信號始終是低電平有效信號。

MOSI和MISO是數(shù)據(jù)線。MOSI將數(shù)據(jù)從主機發(fā)送到從機，MISO將數(shù)據(jù)從從機發(fā)送到主機。

數(shù)據(jù)傳輸

要開始SPI通信，主機必須發(fā)送時鐘信號，并通過使能CS信號選擇從機。片選通常是低電平有效信號。因此，主機必須在該信號上發(fā)送邏輯0以選擇從機。SPI是全雙工接口，主機和從機可以分別通過MOSI和MISO線路同時發(fā)送數(shù)據(jù)。在SPI通信期間，數(shù)據(jù)的發(fā)送（串行移出到MOSI/SDO總線上）和接收（采樣或讀入總線(MISO/SDI)上的數(shù)據(jù)）同時進行。串行時鐘沿同步數(shù)據(jù)的移位和采樣。SPI接口允許用戶靈活選擇時鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。欲確定使用SPI接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，請參閱器件數(shù)據(jù)手冊。

時鐘極性和時鐘相位

在SPI中，主機可以選擇時鐘極性和時鐘相位。在空閑狀態(tài)期間，CPOL位設(shè)置時鐘信號的極性?？臻e狀態(tài)是指傳輸開始時CS為高電平且在向低電平轉(zhuǎn)變的期間，以及傳輸結(jié)束時CS為低電平且在向高電平轉(zhuǎn)變的期間。CPHA位選擇時鐘相位。根據(jù)CPHA位的狀態(tài)，使用時鐘上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。主機必須根據(jù)從機的要求選擇時鐘極性和時鐘相位。根據(jù)CPOL和CPHA位的選擇，有四種SPI模式可用。表1顯示了這4種SPI模式。

表1.通過CPOL和CPHA選擇SPI模式

圖2至圖5顯示了四種SPI模式下的通信示例。在這些示例中，數(shù)據(jù)顯示在MOSI和MISO線上。傳輸?shù)拈_始和結(jié)束用綠色虛線表示，采樣邊沿用橙色虛線表示，移位邊沿用藍色虛線表示。請注意，這些圖形僅供參考。要成功進行SPI通信，用戶須參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊并確保滿足器件的時序規(guī)格。

圖2. SPI模式0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出

圖3給出了SPI模式1的時序圖。在此模式下，時鐘極性為0，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為低電平。此模式下的時鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿移出（由藍色虛線顯示）。

圖3. SPI模式1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，并在上升沿移出

圖4. SPI模式2，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣，并在上升沿移出

圖4給出了SPI模式2的時序圖。在此模式下，時鐘極性為1，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿移出（由藍色虛線顯示）。

圖5. SPI模式3，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，并在下降沿移出

圖5給出了SPI模式3的時序圖。在此模式下，時鐘極性為1，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時鐘相位為0，表示數(shù)據(jù)在上升沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿移出（由藍色虛線顯示）。

多從機配置

多個從機可與單個SPI主機一起使用。從機可以采用常規(guī)模式連接，或采用菊花鏈模式連接。

常規(guī)SPI模式

在常規(guī)模式下，主機需要為每個從機提供單獨的片選信號。一旦主機使能（拉低）片選信號，MOSI/MISO線上的時鐘和數(shù)據(jù)便可用于所選的從機。如果使能多個片選信號，則MISO線上的數(shù)據(jù)會被破壞，因為主機無法識別哪個從機正在傳輸數(shù)據(jù)。

從圖6可以看出，隨著從機數(shù)量的增加，來自主機的片選線的數(shù)量也增加。這會快速增加主機需要提供的輸入和輸出數(shù)量，并限制可以使用的從機數(shù)量?？梢允褂闷渌夹g(shù)來增加常規(guī)模式下的從機數(shù)量，例如使用多路復(fù)用器產(chǎn)生片選信號。

圖6. 多從機SPI配置

菊花鏈模式

在菊花鏈模式下，所有從機的片選信號連接在一起，數(shù)據(jù)從一個從機傳播到下一個從機。在此配置中，所有從機同時接收同一SPI時鐘。來自主機的數(shù)據(jù)直接送到第一個從機，該從機將數(shù)據(jù)提供給下一個從機，依此類推。

使用該方法時，由于數(shù)據(jù)是從一個從機傳播到下一個從機，所以傳輸數(shù)據(jù)所需的時鐘周期數(shù)與菊花鏈中的從機位置成比例。例如在圖7所示的8位系統(tǒng)中，為使第3個從機能夠獲得數(shù)據(jù)，需要24個時鐘脈沖，而常規(guī)SPI模式下只需8個時鐘脈沖。

圖7. 多從機SPI菊花鏈配置

圖8顯示了時鐘周期和通過菊花鏈的數(shù)據(jù)傳播。并非所有SPI器件都支持菊花鏈模式。請參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊以確認菊花鏈?zhǔn)欠窨捎谩?/p>

圖8. 菊花鏈配置：數(shù)據(jù)傳播

ADI 支持 SPI 的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器

ADI公司最新一代支持SPI的開關(guān)可在不影響精密開關(guān)性能的情況下顯著節(jié)省空間。本文的這一部分將討論一個案例研究，說明支持SPI的開關(guān)或多路復(fù)用器如何能夠大大簡化系統(tǒng)級設(shè)計并減少所需的GPIO數(shù)量。

ADG1412是一款四通道、單刀單擲(SPST)開關(guān)，需要四個GPIO連接到每個開關(guān)的控制輸入。圖9顯示了微控制器和一個ADG1412之間的連接。

圖9. 微控制器GPIO用作開關(guān)的控制信號

隨著電路板上開關(guān)數(shù)量的增加，所需GPIO的數(shù)量也會顯著增加。例如，當(dāng)設(shè)計一個測試儀器系統(tǒng)時，會使用大量開關(guān)來增加系統(tǒng)中的通道數(shù)。在4×4交叉點矩陣配置中，使用四個ADG1412。此系統(tǒng)需要16個GPIO，限制了標(biāo)準(zhǔn)微控制器中的可用GPIO。圖10顯示了使用微控制器的16個GPIO連接四個ADG1412。

圖10. 在多從機配置中，所需GPIO的數(shù)量大幅增加

如何減少 GPIO 數(shù)量？

一種方法是使用串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器，如圖11所示。該器件輸出的并行信號可連接到開關(guān)控制輸入，器件可通過串行接口SPI配置。此方法的缺點是外加器件會導(dǎo)致物料清單增加。

圖11. 使用串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器的多從機開關(guān)

另一種方法是使用SPI控制的開關(guān)。此方法的優(yōu)點是可減少所需GPIO的數(shù)量，并且還能消除外加串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器的開銷。如圖12所示，不需要16個微控制器GPIO，只需要7個微控制器GPIO就可以向4個ADGS1412提供SPI信號。開關(guān)可采用菊花鏈配置，以進一步優(yōu)化GPIO數(shù)量。在菊花鏈配置中，無論系統(tǒng)使用多少開關(guān)，都只使用主機（微控制器）的四個GPIO。

圖12. 支持SPI的開關(guān)節(jié)省微控制器GPIO

圖13用于說明目的。ADGS1412數(shù)據(jù)手冊建議在SDO引腳上使用一個上拉電阻。為簡單起見，此示例使用了四個開關(guān)。隨著系統(tǒng)中開關(guān)數(shù)量的增加，電路板簡單和節(jié)省空間的優(yōu)點很重要。

圖13. 菊花鏈配置的SPI開關(guān)可進一步優(yōu)化GPIO

在6層電路板上放置8個四通道SPST開關(guān)，采用4×8交叉點配置時，ADI 公司支持 SPI 的開關(guān)可節(jié)省20%的總電路板空間。