單片機SPI通信中數據流的同步問題研究

SPI是串行外設接口(Serial Peripheral Intcrface)的縮寫，通常稱為“同步外設接口”，是由Motorola公司開發的全雙工同步串行總線。該總線大量用在微處理器及其外設器件的通信中。與SPI有關的軟件設計比較簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。現在，越來越多的單片機帶有SPI，采用SPI的外圍芯片也與日俱增。采用SPI通信可以簡化電路設計．提高電路可靠性，降低系統成本。

1 SPI通信的基本方式
SPI通信總線定義了以下4個接口信號。
◇SIMO：從入／主出。
◇SOMI：從出／主入。
◇SCK：串行時鐘。
◇SS：從屆選擇(在有些芯片中定義為STE信號)。
SPI通信有三線SPI和四線SPI兩種模式。在三線SPI模式下，從屬選擇信號SS／STE不起作用；采用四線SPI模式時，SS／STE信號為高電平時禁止從機接收和發送數據，SS／STE信號為低電平時允許從機接收和發送數據。SPI通信足一種基于主一從配置的通信，提供串行時鐘信號的―方是主機，其他的為從機。圖l為2種通信模式下2臺單片機之間的連接圖。如果一個系統中有多臺從機，那么主機就要為每一臺從機提供一個從屬選擇信號，以確保任一時刻只有一臺從機起作用。

在SPI通信中，數據是同步發送和接收的。在串行時鐘信號的作用下，主機在通過SIMO信號線發送數據的同時，也在通過SOMI信號線接收從機發送的數據；從機在通過SIMO信號線接收數據的同時，也在通過SOMI信號線向主機發送數據。Motorola公司沒有定義任何通用SPT的時鐘規范，但是所有具有SPI功能的單片機中，都可以通過設置相應的寄存器來設置時鐘極性和時鐘相位。對時鐘極性的設置決定了靜止時SPI串行時鐘的有效狀態，而對時鐘相位的設置則規定了處理器在何時發送和接收數據。之所以如此，是為了適應不同外設和線路的需要，因為有些外設在時鐘信號的上升滑鎖存數據，而有些外設則在時鐘信號的下降沿鎖存數據。
SPI傳輸串行數據時，首先傳輸數據的最高位。波特率可以達到幾Mbps，實際速度不僅取決于SPI硬件，而且還受到軟件設計的約束。

2 數據流的同步
同步串行通信的基本特點是：同步串行通信是以字符塊為信息單位傳送的，而每幀信息包含成百上千個字符，因此，數據傳送一旦開始，就要求每幀信息內部的每一位都要同步。也就是說，不僅字符內部的位傳送是同步的，而且字符與字符之間的傳送也必須是同步的，這樣才能保證收／發雙方對每一位都同步。顯然，這種通信方式對時鐘同步要求非常嚴格。為此，收／發兩端必須使用同一時鐘來控制數據塊傳輸中字符與字符、字符內部位與位之間的同步。
不論以何種方式進行通信，都必須制定一個通信協議。SPI通信也不例外。通信協議通?？梢员环譃?個部分：語法、語義和定時關系。這3部分分別規定了通信雙方“如何講”、“講什么”以及“何時講”的問題。
同步通信的通信協議比較簡單。通常在數據塊的前面冠以同步字符，在數據塊的結尾加上差錯控制字符就構成了同步通信的一幀數據。通過選擇工作模式，設置波特率、時鐘極性和相位以及軟件的設計，就可以實現數據流的同步。
在雙機或一臺單片機與一片外圍芯片的SPl通信中常選擇三線模式}而在多方SPI通信中則通常使用四線SPI模式，這時SS／STE信號線用來對從機進行選擇。在一主多從的SPI通信中，主機必須為每一臺從機或外圍芯片提供一個SS／STE信號。使得任一時刻只有一臺從機或外圍芯片起作用。如果所有的從機都只從主機接收數據，而不向主機發送數據，那么也可以使用三線SPI模式。SS／STE信號也可以用來對主機進行選擇，不過通信將變得很復雜。選擇正確的工作模式是進行可靠的SPI通信的前提。
SPI通信是在主機提供的時鐘信號驅動下進行的，設置波特率就是設置主機提供的時鐘信號的頻率。因此，波特率的設置就顯得相當重要。需要多方考慮。單片機與其外圍器件進行通信時，一次可能只發送1個或2個字節的數據，可以把波特率設得高一些，只要不超過硬件允許的范圍即可。如果是兩臺單片機之間進行通信，那么每次傳送的往往是一組數據，否則就失去了同步通信的意義。這種情況下，就必須考慮接收數據一方的運行速度。因為無論是采用查詢還是中斷方式接收數據，每收到1個字節或1個字的數據后，接收方的單片機就必須從接收緩沖寄存器中取一次數據。這個過程必須在下一個字節或字傳送完畢前結束。也就是說，處理時間不能超過8個或16個串行時鐘周期；否則，將會發生溢出錯誤。例如，完成這個過程需要4μs，當接收緩沖寄存器為8位時，串行時鐘的波特率就不能超過2 Mbps；當接收緩沖寄存器為16位時，串行時鐘的波特率就不能超過4 Mbps。有的單片機片內RAM有限，沒有足夠的RAM空間用來保存中間數據，每收到1個字節或字的數據就必須處理一次。這樣一來，串行時鐘的波特率就需要設置得更低。
當單片機與其外圍芯片進行SPI通信時，應當根據外圍芯片的時序來設置串行時鐘的極性和相位。例如，某芯片在時鐘信號的上升沿接收SPI線上的數據，那么主機就必須采用無延時的下降沿或有延時的上升沿時鐘方式來發送SPI數據。當兩臺單片機之間進行SPI通信時，雙方對時鐘信號極性和相位的設置必須相同。
在硬件連接方面，需要引起注意的問題是上電復位后引腳SS／STE上信號的極性。如果上電復位后，引腳SS／STE上為低電平，則有可能收到1位偽數據。在四線SPI模式下，如果在從機的SS／STE引腳上接一個上拉電阻，就可以避免這種情況的發生。
如果在通信過程中，出現串行時鐘信號丟失或干擾，將造成數據流的不同步，通信的各方就收不到正確的數據。所渭“數據流不同步”是指數據的比特位發生了偏移。例如，發送的數據是0xA9和0x36，但是收到的卻是Ox52和0x6C，數據向右移了一位。一旦發生這種錯誤，僅靠硬件是無法糾正的，若不在軟件中采取措施，則將一直錯下去，永遠收不到正確的數據。
采用軟件糾錯的關鍵在于找出偏移的位數，然后據此采取措施，得到正確的結果。一般說來，在通信數據中包含了一些特殊字符，用于標志數據流的開始和終止。處理數據時，首先尋找這些特殊字符。如果不能發現這些特殊字符，就說明數據發生了偏移，需要進行糾錯處理。具體的處理辦法如下：假設數據以字節為單位，用前一個數據的后N位和后一個數據的前(8-N)位重新組成一個新的數據。其中，1≤N≤7。改變N的值，直到從重組的數據中發現特殊字符為止。此時的N值就是數據流發生偏移的位數，然后根據這個值對所收到的其他數據進行重組，就可以得到正確的結果。與此同時，如果還要發送數據，就要對發送出去的數據進行類似的處理。因為如果通信的一方收到的數據發生偏移，那么另一方收到的數據肯定也發生了相同的偏移。
通常要求系統上電復位后，從機先于主機開始工作。如果從機在主機之后開始工作，就有可能丟掉部分時鐘信號，使得從機并不是從數據的第一位開始接收，造成數據流的不同步。可通過硬件延時或軟件延時的方法，來確保從機先于主機工作。

3 實例
現在以數字信號處理器TMS320LF2407A和單片機MSP430F135為例，說明如何確保SPI通信中數據流的同步。這里采用三線SPI模式，TMS320LF2407A設置為主機，MSP430F135設置為從機；雙方的時鐘極性和相位都設置為無延時的上升沿。TMS320LF2407A的主頻為40 MHz，采用定時發送／接收數據的方式工作，每間隔800μs發送一個字節，波特率為200 kHz。這樣設置的原因是，MSP430F135的主頻為8 MHz，片內的RAM只有512字節，沒有足夠的RAM用于保存中間數據，每接收一個字節就得進行一次處理，所以必須留有足夠的時間給MSP430F135進行數據的處理。每一輪發送132字節，由4個引導字符0xFF加上128字節的數據組成。MSP430F135采用中斷的方式接收／發送數據。
以下是用匯編語言編寫的TMS320LF2407A的SPI通信初始化子程序：

下面是用C語言編寫的MSP430F135的SPI通信初始化子程序：

在MSP430F135的接收數據處理程序中還包含了防止數據流發生偏移的措施，實現方法與前文所述相同。圖2是接收數據處理程序的流程圖。

上述程序是電鍍用開關電源控制程序的一部分。DSP控制器TMS320LF2407A負責主電路的控制；單片機MSP430F135作為輔助控制器，負責鍵盤和液晶顯示器的控制。兩個微控制器之間通過SPI通信交換信息。實際應用表明，采用這種方法進行SPI通信是可靠的。

4 結論
SPI通信具有硬件連接簡單、使用方便等優點。采取硬件和軟件相結合的措施，可以確保SPI通信中數據流的同步，實現可靠通信。通過電鍍用開關電源中數字信號處理器TMS320LF2407A和MSP430F135單片機之間SPI通信的實例，驗證了文中提出的三線模式SPI通信中，防止和糾正比特位發生偏移的方法的有效性。