怎樣設(shè)計一個基于SPI總線技術(shù)的同步422接口？

同步傳輸（Synchronous Transmission）是一種發(fā)送方與接收方都采用相同時鐘頻率的傳輸方式。具體來說，就是把要傳輸?shù)囊唤M數(shù)據(jù)組合成一幀，每一幀的開頭部分是一組同步字符，用于通知接收方一個幀已經(jīng)到達(dá)，但它同時還能確保接收方的采樣速度和比特的到達(dá)速度一致，使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。幀的結(jié)尾部分是一個幀結(jié)束標(biāo)記，用于表示在下一幀開始之前沒有其他即將到達(dá)的數(shù)據(jù)了。接收方不必對每個字符進(jìn)行開始和停止的操作，一旦檢測到幀同步字符，就在接下來的數(shù)據(jù)到達(dá)時接收它們。因此，與異步傳輸相比，具有很高的傳輸速度。而且，由于沒有在傳輸?shù)拿總€字符中都加入起始位和結(jié)束位，所以同步傳輸?shù)拈_銷比異步傳輸要小得多，通常前者的數(shù)據(jù)增值只有2.5%左右，而后者的高達(dá)25%。所以，在高速通信中一般都采用同步傳輸方式。

由于圖像的數(shù)據(jù)量一般很大，所以圖像數(shù)據(jù)的傳輸都是高速傳輸。在某實時圖像存儲系統(tǒng)設(shè)計中，為了保證能夠?qū)崟r存儲圖像，需要在以S3C2450X為MCU的嵌入式系統(tǒng)中采用同步422接口向外傳輸圖像數(shù)據(jù)。由于S3C2450X的UART接口不支持同步串行通信模式，所以采用了將SPI外圍總線轉(zhuǎn)換為同步422接口的設(shè)計方法。

1 SPI基本原理與結(jié)構(gòu)

串行外圍設(shè)備接口（SPI）是由Motorola公司開發(fā)的、用來在微控制器和外圍設(shè)備芯片之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的低成本、易使用接口。與標(biāo)準(zhǔn)的串行接口不同，SPI是一個同步協(xié)議接口，全雙工通信，所有的傳輸都參照一個共同的時鐘，這個同步時鐘信號由主機(jī)產(chǎn)生。接收數(shù)據(jù)的外設(shè)使用時鐘對串行比特流的接收進(jìn)行同步化。其傳輸速度可達(dá)幾Mb/s。

SPI主要使用4個信號：MISO（主機(jī)輸入/從機(jī)輸出）、MOSI（主機(jī)輸出/從機(jī)輸入）、 SCLK（串行時鐘）、或（外設(shè)片選或從機(jī)選擇）。

MISO信號由從機(jī)在主機(jī)的控制下產(chǎn)生。信號用于禁止或使能外設(shè)的收發(fā)功能。為高電平時，禁止外設(shè)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；為低電平時，允許外設(shè)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1所示是微處理器通過SPI與外設(shè)連接的示意圖。

主機(jī)和從機(jī)都有一個串行移位寄存器，主機(jī)通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器通過MOSI信號線將字節(jié)傳送給從機(jī)，從機(jī)也將自己的移位寄存器中的內(nèi)容通過MISO信號線返回給主機(jī)（如圖2所示）。這樣，兩個移位寄存器中的內(nèi)容就被交換。外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。

如果只進(jìn)行寫操作，主機(jī)只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機(jī)要讀取從機(jī)的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機(jī)的傳輸。

當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流時，有些外設(shè)能夠進(jìn)行多字節(jié)傳輸。多數(shù)具有SPI接口的存儲芯片就以這種方式工作。在這種傳輸方式下，從機(jī)的片選端必須在整個傳輸過程中保持低電平。此時，一次傳輸可能會涉及到成千上萬字節(jié)的信息，而不必在每個字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送的前后都去檢測其起始位和結(jié)束位，這正是同步傳輸方式優(yōu)于異步傳輸方式的原因所在。

雖然SPI有以上優(yōu)點，然而在圖像傳輸中卻很少用到，原因主要是其抗干擾能力差。SPI采用的是單端非平衡的傳輸方式，即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的電壓電平是以公共地作為參考的。在這種傳輸方式中，對于已進(jìn)入信號中的干擾是無法消除和減弱的。而信號在傳輸過程中總會受到干擾，而且距離越長干擾越嚴(yán)重，以致于信號傳輸產(chǎn)生錯誤。在這種條件下，信號傳輸就變得毫無意義了。另外，由于單端非平衡傳輸方式以公共地作為參考點，地線作為信號回流線，因此也存在信號電流。當(dāng)傳輸線兩端的系統(tǒng)之間存在交流電位差時，這個電位差將直接竄到信號中，形成噪聲干擾。所以，為了解決抗干擾問題，通常采用平衡傳輸（balanced transmission）方式，這里采用比較常見的RS-422。

2 RS-422簡介

RS-422標(biāo)準(zhǔn)是RS-232的改進(jìn)型，全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”。它使用兩根線之間的電壓差來代表邏輯電平，通常稱之為雙絞線。它是一種平衡傳輸，任何噪聲或干擾都會同時影響兩根雙絞線中的每一根，但對二者之間的差異影響很小，這種現(xiàn)象稱為共模抑制。所以RS-422可以在更遠(yuǎn)的距離上以更快的速度傳輸數(shù)據(jù)，其抗干擾能力遠(yuǎn)強于RS-232、SPI等非平衡傳輸方式。其最大傳輸距離約1 200 m，最大傳輸速度可達(dá)10 Mb/s。但是由于線路過長造成損耗，其傳輸速率會隨著距離的增加而下降。

圖3是RS-422的基本連接示意圖。驅(qū)動器D通過雙絞線和接收器R連接。位于雙絞線接收端的電阻Rt是一個終止電阻，它用來消除在遠(yuǎn)距離傳輸過程中發(fā)生的信號反射。但在300 m以下的短距離傳輸中可以不接該電阻。

RS-422標(biāo)準(zhǔn)允許相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個，即一個主設(shè)備、10個從設(shè)備，從設(shè)備之間不能通信［8］。RS-422支持一點對多點的雙向通信。由于它的接口采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必需的信號交換均可以通過軟件方式或硬件方式實現(xiàn)。

RS-422雙絞線之間的電壓差在4 V～12 V之間。其邏輯電平定義為：在發(fā)送端，以雙絞線之間電壓差為＋2 V～＋6 V表示邏輯1，以－2 V～－6 V表示邏輯0；在接收端，雙絞線之間電壓差大于200 mV時為邏輯1，小于－200 mV時為邏輯0。

3 S3C2450X的SPI接口

S3C2450X是SAMSUNG公司最近推出的一款高性能、低功耗16/32 bit RISC處理器，其最高主頻可達(dá)533 MHz，一般工作頻率為400 MHz。它采用ARM926EJ內(nèi)核，該內(nèi)核采用MMU、AMBA總線和哈佛高速緩存體系結(jié)構(gòu)，具有單獨的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，每個Cache都由8字長的行組成。為了降低成本，片上集成了各種常用模塊，包括NAND Flash Bootloader、系統(tǒng)管理器、PLL時鐘發(fā)生器、PWM定時器、8通道DMA和多種接口控制器等，這樣可以使設(shè)計者在設(shè)計電路時省去許多專門的接口控制芯片，不僅降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。

S3C2450X集成了2個高速SPI接口，每個接口都有2個8/16/32 bit的移位寄存器分別用于發(fā)送（Tx FIFO）和接收（Rx FIFO）數(shù)據(jù)。在發(fā)送時，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（HS_SPI_Tx_DATA）中，數(shù)據(jù)會被自動移入Tx FIFO；在接收數(shù)據(jù)時，為了從Rx FIFO中讀出數(shù)據(jù)，CPU訪問SPI數(shù)據(jù)接收寄存器（HS_SPI_Rx_DATA），此時數(shù)據(jù)會自動轉(zhuǎn)移到HS_SPI_Rx_DATA中。

S3C2450X的SPI接口支持主模式和從模式兩種傳輸方式。在主模式下，同步時鐘SPICLK由S3C2450X產(chǎn)生并傳輸給外圍設(shè)備。此時，通過設(shè)置時鐘配置寄存器（Clk_CFG）可以調(diào)整同步時鐘SPICLK的頻率，從而改變數(shù)據(jù)傳輸率。SPI有3個可用時鐘源：內(nèi)部時鐘源PCLK，外部時鐘源Epll clock和USBCLK。其同步時鐘計算公式為：

同步時鐘頻率＝f/［2×（預(yù)分頻值＋1）］

其中f是所選時鐘源的頻率，預(yù)分頻值的取值范圍是0～255。若取f＝400 MHz，則同步時鐘頻率最大可達(dá)200 MHz，其傳輸速率理論上接近200 Mb/s。但由于受到內(nèi)部寄存器和外部接口等其他因素限制，再加上傳輸速率太高時，由傳輸延時造成的影響越來越明顯，從而會引起傳輸錯誤，所以其實際數(shù)據(jù)傳輸率不會很高，一般只有幾Mb/s。

4 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

由于RS-422采用的電平與SPI不同，所以必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片。這里采用MAXIM公司的MAX3088［10］。這是一款用于RS-422通信的一路高速低功耗電平轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片，半雙工通信，傳輸速率最大可達(dá)10 Mb/s。它有8個引腳：5號引腳為電源引腳，8號引腳為接地引腳，6號（A）、7號（B）是差分信號引腳。其他幾個引腳分別為：1（RO）是接收器輸出；2（）是接收器輸出使能，3（DE）是驅(qū)動器輸出使能，4（DI）是驅(qū)動器輸入。要使其工作在發(fā)送模式，只需將和DE同時置1，此時，若輸入DI為1，則輸出的A為1，B為0；若DI為0，則A為0，B為1。它與S3C2450X的連接圖如圖4所示。

圖4中將S3C2450X的SPICLK0和SPIMOSI0引腳分別接到2個MAX3088的DI引腳上，DE和RE接5 V直流電源，A和B為差分信號對輸出，C1、C2為旁路電容。由于只使用SPI的發(fā)送功能，所以忽略了SPIMISO0引腳。

5 接口電路調(diào)試

由于RS-422只是規(guī)定了電壓標(biāo)準(zhǔn)而無具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)，所以接口的軟件調(diào)試主要是對S3C2450X的SPI模塊進(jìn)行設(shè)置。其具體編程步驟如下：

（1）通過SPI配置寄存器CH_CFG設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸格式。

（2）設(shè)置時鐘配置寄存器Clk_CFG，決定同步時鐘頻率。

（3）設(shè)置SPI模式寄存器MODE_CFG，包括傳送數(shù)據(jù)的單位以及是否啟用DMA模式等。

（4）設(shè)置中斷使能寄存器，包括是否響應(yīng)FIFO溢出以及為空時所產(chǎn)生的中斷等。

（5）通過設(shè)置CH_CFG中的RxChOn和TxChOn打開數(shù)據(jù)傳輸通道。

（6）發(fā)送數(shù)據(jù)，檢查發(fā)送準(zhǔn)備好標(biāo)志（TxFifoRdy＝1），然后寫數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器TX_DATA。

（7）接收數(shù)據(jù)，檢查接收準(zhǔn)備好標(biāo)志（RxFifoRdy＝1），接著數(shù)據(jù)接收寄存器RX_DATA自動從讀緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù)，之后從RX_DATA中讀數(shù)據(jù)。

將S3C2450X產(chǎn)生的SPIMOSI信號傳輸至驅(qū)動芯片MAX3088，用示波器測得轉(zhuǎn)換前后信號的波形如圖5所示。

從圖5中可以看出轉(zhuǎn)換后的2個差分信號VA和VB之差與轉(zhuǎn)換前的單端信號DI保持了邏輯上的一致，只是由于芯片在信號轉(zhuǎn)換中需要耗時，所以產(chǎn)生了約25 ns的延時。

通過將SPI總線由單端不平衡傳輸轉(zhuǎn)換為雙端平衡傳輸，解決了SPI信號易受干擾的問題。又由于其同步通信的高效性使得它非常適用于圖像傳輸。另外，如果對傳輸速率的要求不是太高，則RS-422也可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這大大擴(kuò)展了SPI器件的使用范圍。隨著技術(shù)的發(fā)展，以RS-422為代表的雙端平衡傳輸模式將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。