理解ATE SPI (串行外設(shè)接口)

理解ATE SPI (串行外設(shè)接口)

大多數(shù)Maxim? ATE設(shè)計(jì)都采用了一個(gè)串行接口，以便從外部控制器件。這種串行接口正在成為一種重要且非常有用的功能，但也可能是較難理解的部分之一。本應(yīng)用筆記介紹了Maxim ATE SPI?接口，并闡述了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法。從時(shí)序圖可以看出如何對該接口進(jìn)行編程。

串行外設(shè)接口(SPI)的基礎(chǔ)

SPI是一種同步數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，其構(gòu)想最初由Motorola?提出。按照主/從模式進(jìn)行通信，其中主控設(shè)備啟動(dòng)與一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備之間的通信，在器件之間交換數(shù)據(jù)。SPI接口已經(jīng)演化出了許多不同結(jié)構(gòu)，但它們都采用公用的一組控制信號(hào)和輸出。最簡單的方法是基于移位寄存器的3線設(shè)計(jì)，如圖1所示。信號(hào)定義如下：

• SCLK：時(shí)鐘信號(hào)，將DIN (數(shù)據(jù))按時(shí)序移入移位寄存器
• DIN：移入移位寄存器的數(shù)據(jù)
• DOUT：移出移位寄存器的數(shù)據(jù)

圖1. 8位SPI接口簡圖

SPI接口(圖1)的基本工作原理是將數(shù)據(jù)(DIN)移入移位寄存器，由SCLK的上升沿或下降沿控制數(shù)據(jù)移位。一旦數(shù)據(jù)移入寄存器，移位寄存器的輸出即可作為設(shè)計(jì)中的控制信號(hào)。在時(shí)鐘控制下，數(shù)據(jù)通過DOUT引腳移出，允許以菊花鏈形式連接多個(gè)接口，控制多個(gè)從器件。

Maxim ATE串行接口架構(gòu)

Maxim的ATE方案在圖1所示最簡方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加了另外三個(gè)信號(hào)：片選(CS*)、裝載(LD*)和復(fù)位(RST*)。另外，拓?fù)涓臑殡p緩存結(jié)構(gòu)。緩存1代表增加的第一級(jí)鎖存器；緩存2代表第二級(jí)鎖存器。這種雙緩存結(jié)構(gòu)能夠在兩級(jí)之間靈活地傳遞和鎖存數(shù)據(jù)。我們將探討這種架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和時(shí)序圖(分別參見圖2和圖3)，說明單通道、8位字SPI的工作原理。

單元和信號(hào)

8位移位寄存器

圖2所示為標(biāo)準(zhǔn)移位寄存器，它具有8個(gè)寄存器位(SRBIT0至SRBIT7)。數(shù)據(jù)(DIN)在SCLK的上升沿移入，移入所有8位數(shù)據(jù)需要8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)在第8個(gè)時(shí)鐘周期的下降沿移出(DOUT)。CS也是移位寄存器單元的一個(gè)輸入。

控制信號(hào)譯碼

控制信號(hào)譯碼電路是一個(gè)用戶邏輯單元，對SCLK、CS以及數(shù)據(jù)字中的控制位進(jìn)行譯碼，使得第1級(jí)鎖存器可以保持?jǐn)?shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)傳遞至第2級(jí)鎖存器。該單元可以設(shè)計(jì)控制多路第1級(jí)鎖存器，MAX9979數(shù)據(jù)資料給出了一個(gè)示例，其中第1級(jí)輸入寄存器和通道選擇寄存器都由用戶邏輯單元控制。該8位示例中沒有控制位，移位寄存器的所有8位傳遞至第1級(jí)鎖存器。

8位鎖存器

提供兩級(jí)或兩組完全相同的鎖存器。該示例采用8位鎖存器(SRBIT0至SRBIT7)。鎖存器為透明傳輸，在鎖存時(shí)鐘輸入的下降沿將輸入數(shù)據(jù)傳遞至輸出。鎖存器輸出在鎖存時(shí)鐘的上升沿保持或鎖存數(shù)據(jù)。輸出保持鎖存狀態(tài)，直到鎖存器時(shí)鐘輸入變?yōu)榈碗娖健５?級(jí)鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)為SCLK、CS和控制位的譯碼信號(hào)。第2級(jí)鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)為LD信號(hào)。

控制信號(hào)線

控制信號(hào)線為第2級(jí)鎖存器輸出。它們作為數(shù)字控制信號(hào)控制器件的內(nèi)部功能或工作模式。

“低電平有效”

信號(hào)CS、LD和RST為“低電平有效”控制信號(hào)。“低電平有效”表示信號(hào)只有為邏輯低電平時(shí)才有效。


圖2. 8位字、雙緩存SPI接口的簡單示例


圖3. 8位字SPI示例的詳細(xì)時(shí)序圖

工作原理

下文所示時(shí)序?qū)?yīng)于圖2和圖3所示的SPI示例。該設(shè)計(jì)中，選擇在時(shí)鐘的上升沿將信號(hào)移入器件，也可以使用下降沿。數(shù)據(jù)按照從MSB (最高有效位)至LSB (最低有效位)的順序移入，也可以從LSB至MSB移入，如本應(yīng)用所示。

• 在SCLK的上升沿將數(shù)據(jù)移入移位寄存器。
• DIN數(shù)據(jù)經(jīng)過8?個(gè)時(shí)鐘周期后，在SCLK的下降沿從接口(通過DOUT)移出。
• CS由SCLK觸發(fā)控制。在低電平有效的CS下降沿將數(shù)據(jù)傳遞至第1級(jí)鎖存器，并在CS的上升沿鎖存至第1級(jí)。如果CS保持為高電平，數(shù)據(jù)僅傳送至DOUT，不會(huì)出現(xiàn)在第1級(jí)鎖存器。
• 與LD控制信號(hào)異步加載第2級(jí)鎖存器。如果LD保持為邏輯高電平，則第1級(jí)緩存輸出不會(huì)傳遞到第2級(jí)緩存輸出。若LD保持為低電平，第1級(jí)緩存輸出將直接通過第2級(jí)鎖存器。在LD控制信號(hào)的上升沿鎖存第2級(jí)輸出。
• RST將把串行接口控制信號(hào)復(fù)位到默認(rèn)狀態(tài)。
• 圖3所示為所有串行接口輸入、輸出的詳細(xì)時(shí)序。

SPI接口只有符合具體的時(shí)序指標(biāo)要求才能正常工作。這些指標(biāo)在器件數(shù)據(jù)資料中列出。表1定義了圖3相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，并給出了一些典型值以供參考。

表1. SPI時(shí)序要求、定義及典型值

SPI接口的主/從配置

有三種方法實(shí)現(xiàn)主/從配置：

1. 一主一從，如圖4所示。
2. 一主多從，采用菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。
   該方法的優(yōu)勢在于：
   1. 主器件僅需要一個(gè)片選引腳。
   2. 以菊花鏈形式將DOUT引腳連接至下一個(gè)從器件的DIN；最后一個(gè)從器件的DOUT返回至主器件DIN端口進(jìn)行讀取。
   該方法的缺點(diǎn)是：
   1. 每個(gè)從器件沒有獨(dú)立控制信號(hào)。
   2. DATA字較長。
   3. 由于必須在觸發(fā)片選信號(hào)之前更新所有從器件，所以更新速度較慢。
3. 一主多從，每片從器件都有其各自的片選引腳，如圖6所示。
   該方法的優(yōu)勢在于：
   1. 每個(gè)從器件均可獨(dú)立控制。
   2. 工作速率較快。
   缺點(diǎn)是：
   1. 主器件需要更多的I/O控制引腳。
   2. 如果DOUT不能處于高阻態(tài)，則不能回讀數(shù)據(jù)。

圖4. 單個(gè)主/從SPI接口


圖5. 一主多從—菊花鏈結(jié)構(gòu)，一個(gè)片選信號(hào)控制所有從器件。


圖6. 一主多從—每個(gè)從器件都有獨(dú)立的片選信號(hào)。

常見的SPI錯(cuò)誤

根據(jù)數(shù)據(jù)資料確定數(shù)據(jù)是在時(shí)鐘的正向上升沿還是負(fù)向下降沿移入。請注意不要混淆具有不同時(shí)鐘沿要求的從器件。如果存在不同的時(shí)鐘要求，請務(wù)必在軟件或硬件中完成正確的轉(zhuǎn)換。



根據(jù)數(shù)據(jù)資料確定是MSB在前還是LSB在前移入數(shù)據(jù)。



確保CS在相對于時(shí)鐘沿的數(shù)據(jù)字附近正確控制。

如果字長不是8位或單字節(jié)的倍數(shù)，請務(wù)必在字開頭或結(jié)尾處添加零，以確保以字節(jié)的整數(shù)倍移入。有些控制器或主器件，一次只能輸出1個(gè)字節(jié)。如果是這種情況，需確保不會(huì)將實(shí)際數(shù)據(jù)從從器件中移出。若要控制指定從器件，需確保從器件擁有完整數(shù)據(jù)。

請不要將多個(gè)DOUT連接在一起，除非它們具有高阻態(tài)選項(xiàng)。

請仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)資料，確定已經(jīng)理解、掌握從器件的使用細(xì)節(jié)。“字”可以包含數(shù)據(jù)、地址和控制位。

請注意，以菊花鏈連接多個(gè)器件可能導(dǎo)致更新速度緩慢。

SCLK信號(hào)為高速信號(hào)并送至多個(gè)位置。確保該信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)緩沖以驅(qū)動(dòng)多個(gè)電路，從而避免時(shí)序誤差。所有驅(qū)動(dòng)多個(gè)電路的信號(hào)都應(yīng)該具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

總結(jié)

從6個(gè)基本信號(hào)的角度介紹了Maxim ATE SPI串行接口的基本工作原理和時(shí)序，它們分別為：SCLK、CS、DIN、RST、LD和DOUT。RST和LD可選。即使不同電路之間的結(jié)構(gòu)會(huì)有所調(diào)整，但這6個(gè)信號(hào)的時(shí)序定義了SPI接口的外部工作特性。本文結(jié)合6個(gè)基本信號(hào)，以8位字、雙緩存接口為例介紹了SPI的工作原理。該接口是Maxim ATE產(chǎn)品遵循的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。查看每個(gè)器件的數(shù)據(jù)資料可以了解不同接口的差異和增強(qiáng)功能，但所有接口都遵循本文所述時(shí)序。充分理解本文給出的示例有助于您解讀、理解Maxim的許多ATE串行接口。

*注：后綴“” (例如：CS、LD、RST)表示這些引腳為低電平有效。