实现单片机原理与接口技术的设计与实训

SPI（Serial Peripheral Interface）是Motorola公司推出的同步串行外设接口，允许单片机与多个厂家生产的带有标准SPI接口的外围设备直接连接，以串行方式交换信息。SPI使用4条线：串行时钟SCK、主器件输入/从器件输出数据线MISO、主器件输出/从器件输入数据线MOSI、从器件选择线片选端。SPI总总线使用同步协议传送数据，接收或发送数据时由主机产生的时钟信号控制。SPI接口可以连接多个SPI芯片或装置，主机通过选择它们的片选来分时访问不同的芯片。

SPI典型应用是单主系统，一台主器件，从器件通常是外围接口器件，如存储器、I/O接口、A-D、D-A、键盘、日历/时钟和显示驱动等慢速外设器件通信。扩展多个外围器件时，SPI无法通过数据线译码选择，故外围器件都有片选端。SPI总线信号线基本连接关系如图6-46所示。SPI总线系统有以下几种形式：一个主机和多个从机、多个从机相互连接构成多主机系统（分布式系统）、一个主机与一个或几个I/O设备构成的系统等。

图6-46 SPI总线信号线基本连接关系

在大多数应用场合，可使用一个微控制器作为主控机来控制数据的传送，并向一个或几个外围器件传送数据。从机只有在主机发命令时才能接收或发送数据。当一个主机通过SPI与多个芯片相连时，必须使用每个芯片的片选，这可通过MCU的I/O接口输出线来实现。SPI外围串行扩展连接如图6-47所示。

在SPI系统中，主器件单片机在启动一次传送时，便产生8个时钟，传送给接口芯片作为同步时钟，控制数据的输入和输出。传送格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。输出数据的变化以及输入数据时的采样，都取决于SCK，但对于不同的外围芯片，可能是SCK的上升沿起作用，也可能是SCK的下降沿起作用。SPI有较高的数据传输速度，最高可达1.05Mbit/s。

例6-11：设计单片机与SPI串行A-D转换器TLC2543的SPI接口。

（1）TLC2543芯片简介

TLC2543是美国TI公司的一款集8位、10位、12位为一体的可选输出二进制位数的11通道串行SPI接口的开关电容逐次逼近CMOS型A-D转换芯片，一路转换时间为10μs。片内有一个14路模拟开关，用来选择11路模拟输入，并对3路内部测试电压中的1路进行采样。供电电压VCC为4.5～5.5V，参考电压VREF+最大到VCC，VREF-接到地，最大的输入电压取决于正参考电压与负参考电压的差值。CLK最大频率为4.1MHz。

TLC2543的外部输入4种信号为：数据输入SDI、片选、I/O时钟CLK、模拟量输入通道AINn（n=0～10）。输出信号为：转换结束EOC、数据输出SDO。

TLC2543工作原理：片选信号由高变为低时，允许SDI、CLK、模拟量AINn（n=0～10）信号输入（在使用4.1MHz的I/O时钟时，外部输入设备的输出阻抗应小于或等于30Ω）和SDO数据信号输出，EOC在转换过程中一直为高电平，转换结束变为低电平。片选信号由低到高时，禁止SDI、CLK和模拟量AINn（n=0～10）信号输入。

DIN：串行数据输入端。最先输入的4位用来选择模拟量输入通道。数据传送时最高位在前，每一个I/O时钟的上升沿送入一位数据，最先4位数据输入到地址寄存器后，接下来的4位用来设置TLC2543的工作方式。

DOUT：串行数据输出端。输出的数据有3种长度可供选择：8位、12位和16位，数据输出的顺序可以在TLC2543的工作方式中设定。数据输出引脚DOUT为高电平时呈高阻状态；为低电平时，DOUT引脚输出有效。

TCL2543的每次转换都必须给其写入命令字，其格式见表6-16。以便确定下一次转换用哪个通道，下次转换结果用多少位输出，转换结果输出是低位在前还是高位在前。注意：初始化时，必须将片选信号由高拉低才能进行数据输出/输入。

图6-47 SPI外围串行扩展连接图

表6-16 数据输入格式

1）D7～D4：数据地址位，用于选择输入通道与测试电压选择或从3个内部自测电压中选择一个，以对转换器进行校准或者选择软件掉电方式，见表6-17。

表6-17 数据输入格式高4位设置

2）D3、D2：输出数据长度（位数）。D3D2取01选8位，x0（x为0或1）选12位，11选16位。转换器的分辨率为12位，内部转换结果总是12位。选择12位数据长度时，所有的位都被输出。选择8位数据长度时，低4位被截去。选择16位时，在转换结果的低位增加了4个被置为0的填充位。

3）D1：输出数据格式选择位，0表示选高位在前，从DOUT脚输出；1表示选低位在前，从DOUT脚输出。

4）D0：输出极性选择位，用于设置A-D转换结果是以单极性还是双极性二进制数补码表示。0表示选单极性（A-D转换结果以二进制数形式表示，电压范围为0～V_REF+），1表示选双极性（A-D转换结果以二进制数补码形式表示，电压范围为V_REF-～V_REF+）。

由上可得到单片机与TLC2543的SPI接口电路如图6-48所示。单片机的P1.0、P1.1和P1.2引脚分别与TLC2543的CLK、和SDI引脚相连；P1.4与转换结束信号EOC相连，P1.3与输出数据端SDO相连，单片机将命令字通过P1.2输入到TLC2543的输入寄存器中。

（2）软件设计分析

根据TLC2543数据输入命令字格式和图6-48可知：输出选择极性为单极性，输出数据格式为高位在前，输出数据长度为12位，通道0～通道10的控制字为00H～A0H，选择1通道（AIN1）进行一次A-D模数转换，A-D转换结果共12位，分两次读入。先读入TLC2543中的8位转换结果到单片机中，同时写入下一次转换的命令，然后再读入4位的转换结果到单片机中。

图6-48 单片机与TLC2543的 SPI接口电路

从输出格式知：命令字=10H或18H。

由于TLC2543时钟频率f=2.5MHz，则时钟周期=1/f=1/2.5MHz=4μs，取单片机晶振频率为6MHz，则机器周期为2μs，则1个NOP指令2μs。

程序清单如下：

ORG 0000H

CLK BIT P1.0；设计P1.0连接TLC2543时钟端

CS BIT P1.1；设计P1.1连接TLC2543片选端

DIN BIT P1.2；设计P1.2连接TLC2543数据输入端

DOUT BIT P1.3；设计P1.3连接TLC2543数据输出端

ADDR EQU 50H；A-D转换结果存储单元

MAIN：ACALL ADCONV；调用A-D转换，SPI传输子程序

LCALL DATA1；调用显示格式转换子程序

ACALL DISPLAY；调用数码管显示子程序

AJMP MAIN

ADCONV：MOV R0，#ADDR

MOV R1，#10H；选择通道1单极性高位在前；12位输出

ACALL READAD；加电后空转换一次

MOV R1，#10H；有效转换开始

ACALL READAD

MOV A，R2；保存转换结果

MOV @R0，A(www.xing528.com)

INC R0

MOV A，R3

MOV @R0，A

RET

；READAD为TLC2543AD转换子程序，R1中的内容为控制字，

；转换值的高8位保存在R2中，低4位保存在R3中

READAD：CLR CLK；置CLK为低

SETB CS；置CS为高

CLR CS

NOP；置CS为低，延时大于1.425μs

NOP；转换开始

MOV R4，#08

MOV A，R1；控制字装入A中

ADLOP1：MOV C，DOUT；转换值移出一位进入C

RLC A；值从A的最低位进入，控制字最高位移入C

MOV DIN，C；控制字的1位移入TLC2543

SETB CLK

NOP

NOP

CLR CLK

DJNZ R4，ADLOP1；8位是否移完？没有，转ADLOP1

MOV R2，A；转换值的高8位装入R2

MOV A，#0

MOV R4，#04；读取低4位转换值

ADLOP2：MOV C，DOUT

RLC A

SETB CLK

NOP

NOP

CLR CLK

DJNZ R4，ADLOP2

MOV R3，A；低4位转换值装入R3

SETB CS；片选置1

RET

DATA1：MOV 79H，#11H；取“灭”的字形码索引值

MOV R0，#ADDR；A-D转换值存储单元地址送R0

MOV A，@R0；读取转换值12位中高8位

ANL A，#0F0H；取出转换值高4位送显示缓冲单元7AH

SWAP A

MOV 7AH，A

MOV A，@R0；取出转换值中4位送显示缓冲单元7BH

ANL A，#0FH

MOV 7BH，A

INC R0；A-D转换值存储单元地址加1

MOV A，@R0；读取转换值12位中低4位

ANL A，#0FH

MOV 7CH，A；低4位送显示缓冲单元7CH

RET