單片機(jī)原理及接口技術(shù) 課件 第九章 SPI通信協(xié)議與典型電路應(yīng)用

單原及接片理口技術(shù)機(jī)12第九章

SPI通信協(xié)議與典型電路應(yīng)用01BCD碼02SPI（串行外設(shè)接口）通信協(xié)議03使用SPI通信協(xié)議的應(yīng)用芯片DS130204DS1302與單片機(jī)通信的典型示例PrincipleandinterfacetechnologyofMicrocomputer01習(xí)題 SPI通信協(xié)議與典型電路應(yīng)用在前面的課程中我們已經(jīng)了解到了不少關(guān)于時鐘的概念，比如我們用的單片機(jī)的主時鐘是11.0592M（或者12M），時鐘本質(zhì)上都是一個某一頻率的方波信號。那么除了這些在前面新學(xué)到的時鐘概念外，還有一個我們早已熟悉的不能再熟悉的時鐘概念——“年-月-日時:分:秒”，就是我們的鐘表和日歷給出的時間，在單片機(jī)系統(tǒng)里我們把它稱作實(shí)時時鐘，以區(qū)別于前面提到的幾種方波時鐘信號。在本章節(jié)，我們將學(xué)習(xí)實(shí)時時鐘的應(yīng)用，除此之外，本章還會接觸和學(xué)習(xí)到C語言的結(jié)構(gòu)體，它也是C語言的精華部分，在以后使用到的嵌入式程序設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)體使用幾率更高，我們通過本章先來了解它的基礎(chǔ)，后面再逐漸達(dá)到熟練、靈活運(yùn)用它。01BCD碼在日常生產(chǎn)生活中用的最多的數(shù)字是十進(jìn)制數(shù)字，而單片機(jī)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)本質(zhì)上都是二進(jìn)制的，如何在十進(jìn)制和二進(jìn)制之間建立簡單而快速的轉(zhuǎn)換，使用BCD碼轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)這個目的。BCD碼的概念BCD碼也稱二進(jìn)碼十進(jìn)數(shù)，BCD碼可分為有權(quán)碼和無權(quán)碼兩類。其中，常見的有權(quán)BCD碼有8421碼、2421碼、5421碼，無權(quán)BCD碼有余3碼、余3循環(huán)碼、格雷碼。8421BCD碼是最基本和最常用的BCD碼，它和四位自然二進(jìn)制碼相似，各位的權(quán)值為8、4、2、1，故稱為有權(quán)BCD碼。5421BCD碼和2421BCD碼同為有權(quán)碼，它們從高位到低位的權(quán)值分別為5、4、2、1和2、4、2、1。余3碼是由8421碼加3后形成的，是一種“對9的自補(bǔ)碼”。余3循環(huán)碼是一種變權(quán)碼，每一位的在不同代碼中并不代表固定的數(shù)值，主要特點(diǎn)是相鄰的兩個代碼之間僅有一位的狀態(tài)不同。格雷碼（也稱循環(huán)碼）是由貝爾實(shí)驗室的FrankGray在1940年提出的，用于PCM方法傳送信號時防止出錯。格雷碼是一個數(shù)列集合，它是無權(quán)碼，它的兩個相鄰代碼之間僅有一位取值不同。余3循環(huán)碼是取4位格雷碼中的十個代碼組成的，它同樣具相鄰性的特點(diǎn)。1.1BCD碼的分類1、8421碼8421BCD碼是最基本和最常用的BCD碼，它和四位自然二進(jìn)制碼相似，各位的權(quán)值為8、4、2、1，故稱為有權(quán)BCD碼。和四位自然二進(jìn)制碼不同的是，它只選用了四位二進(jìn)制碼中前10組代碼，即用0000~1001分別代表它所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，余下的六組代碼不用。1.22、5421和2421碼5421BCD碼和2421BCD碼為有權(quán)BCD碼，它們從高位到低位的權(quán)值分別為5、4、2、1和2、4、2、1。這兩種有權(quán)BCD碼中，有的十進(jìn)制數(shù)碼存在兩種加權(quán)方法，例如，5421BCD碼中的數(shù)碼5，既可以用1000表示，也可以用0101表示；2421BCD碼中的數(shù)碼6，既可以用1100表示，也可以用0110表示。3、余3碼余3碼是8421BCD碼的每個碼組加3(0011)形成的。常用于BCD碼的運(yùn)算電路中。4、Gray碼Gray碼（格雷碼）也稱循環(huán)碼，在一組數(shù)的編碼中，若任意兩個相鄰數(shù)的代碼只有一位二進(jìn)制數(shù)不同[2]。Gray碼的編碼方案有多種，典型的Gray碼如下表所示。從表中看出，這種代碼除了具有單位距離碼的特點(diǎn)外，還有一個特點(diǎn)就是具有反射特性，即按表中所示的對稱軸為界，除最高位互補(bǔ)反射外，其余低位數(shù)沿對稱軸鏡像對稱。利用這一反射特性可以方便地構(gòu)成位數(shù)不同的Gray碼。常用BCD編碼1.3最常用的BCD編碼，就是使用"0"至"9"這十個數(shù)值的二進(jìn)碼來表示。這種編碼方式，在稱之為“8421碼”（日常所說的BCD碼大都是指8421BCD碼形式）。除此以外，對應(yīng)不同需求，還有不同的編碼方法，以適應(yīng)不同的需求，常見的BCD示例碼如表9-1所示。SPI（串行外設(shè)接口）通信協(xié)議02SPI（串行外設(shè)接口）介紹2.1SPI是英語SerialPeripheralInterface的縮寫，顧名思義就是串行外設(shè)接口。SPI是一種高速的、全雙工、同步通信總線，標(biāo)準(zhǔn)的SPI也僅僅使用4個引腳，常用于單片機(jī)和EEPROM、FLASH、實(shí)時時鐘、數(shù)字信號處理器等器件的通信。SPI通信原理比I2C要簡單，它主要是主從方式通信，這種模式通常只有一個主機(jī)和一個或者多個從機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)的SPI是4根線，分別是SSEL（片選，也寫為SCS）、SCLK（時鐘，也寫為SCK）、MOSI（主機(jī)輸出從機(jī)輸入MasterOutput/SlaveInput）和MISO（主機(jī)輸入從機(jī)輸出MasterInput/SlaveOutput）。SSEL：從設(shè)備片選使能信號。如果從設(shè)備是低電平使能的話，當(dāng)拉低這個引腳后，從設(shè)備就會被選中，主機(jī)和這個被選中的從機(jī)進(jìn)行通信。SCLK：時鐘信號，由主機(jī)產(chǎn)生，和I2C通信的SCL有點(diǎn)類似。MOSI：主機(jī)給從機(jī)發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)的通道。MISO：主機(jī)讀取從機(jī)的狀態(tài)或者數(shù)據(jù)的通道。產(chǎn)生時鐘信號的器件稱為主機(jī)。主機(jī)和從機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機(jī)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(jī)，但可以有一個或多個從機(jī)。圖9-1顯示了主機(jī)和單從機(jī)之間的SPI連接設(shè)置，圖9-2顯示了單主機(jī)與多從機(jī)的SPI連接設(shè)置。來自主機(jī)的片選信號用于選擇從機(jī)。這是一個低電平有效信號，拉高時從機(jī)與SPI總線斷開連接。當(dāng)使用多個從機(jī)時，主機(jī)需要為每個從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號。SPI（串行外設(shè)接口）數(shù)據(jù)傳輸2.2同步通信的一個特點(diǎn)就是所有數(shù)據(jù)的變化和采樣都是伴隨著時鐘沿進(jìn)行的，也就是說數(shù)據(jù)總是在時鐘的邊沿附近變化或被采樣。而一個時鐘周期必定包含了一個上升沿和一個下降沿，這是周期的定義所決定的，只是這兩個沿的先后并無規(guī)定。又因為數(shù)據(jù)從產(chǎn)生的時刻到它的穩(wěn)定是需要一定時間的，那么，如果主機(jī)在上升沿輸出數(shù)據(jù)到MOSI上，從機(jī)就只能在下降沿去采樣這個數(shù)據(jù)了。反之如果一方在下降沿輸出數(shù)據(jù)，那么另一方就必須在上升沿采樣這個數(shù)據(jù)。CPHA=1，就表示數(shù)據(jù)的輸出是在一個時鐘周期的第一個沿上，至于這個沿是上升沿還是下降沿，這要視CPOL的值而定，CPOL=1那就是下降沿，反之就是上升沿。那么數(shù)據(jù)的采樣自然就是在第二個沿上了。CPHA=0，就表示數(shù)據(jù)的采樣是在一個時鐘周期的第一個沿上，同樣它是什么沿由CPOL決定。那么數(shù)據(jù)的輸出自然就在第二個沿上了。仔細(xì)想一下，這里會有一個問題：就是當(dāng)一幀數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)谝粋€bit時，在第一個時鐘沿上就采樣該數(shù)據(jù)了，那么它是在什么時候輸出來的呢？有兩種情況：一是SSEL使能的邊沿，二是上一幀數(shù)據(jù)的最后一個時鐘沿，有時兩種情況還會同時生效。開始SPI（串行外設(shè)接口）數(shù)據(jù)傳輸之前，主機(jī)必須發(fā)送時鐘信號，并且能夠通過CS信號選擇從機(jī)，片選信號一般是低電平有效信號。因此，主機(jī)必須在該信號上發(fā)送邏輯0選擇從機(jī)。SPI是全雙工接口，主機(jī)和從機(jī)可以分別通過MOSI和MISO線路同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在通信期間，數(shù)據(jù)的發(fā)送（串行數(shù)據(jù)移出到MOSI/SDO總線上）和接收（采樣或讀入MISO/SDI總線上）可以同時進(jìn)行，互不干擾和影響。SPI通信協(xié)議也允許用戶靈活選擇時鐘的上升沿和下降沿來采樣或者移位數(shù)據(jù)。SPI通信時序分析圖2.3大家看圖9-3所示，當(dāng)數(shù)據(jù)未發(fā)送時以及發(fā)送完畢后，SCK都是高電平，因此CPOL=1?？梢钥闯?，在SCK第一個沿的時候，MOSI和MISO會發(fā)生變化，同時SCK第二個沿的時候，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，此刻采樣數(shù)據(jù)是合適的，也就是上升沿即一個時鐘周期的后沿鎖存讀取數(shù)據(jù)，即CPHA=1。注意最后最隱蔽的SSEL片選，這個引腳通常用來決定是哪個從機(jī)和主機(jī)進(jìn)行通信。剩余的三種模式，這里通過圖形展示出來，簡化起見把MOSI和MISO合在一起了，大家仔細(xì)對照看看研究一下，把所有的理論過程都弄清楚，有利于你對SPI通信的深刻理解，如圖9-4所示。我們以CPOL=1/CPHA=1為例，把時序圖畫出來給大家看一下，如圖9-3所示。使用SPI通信協(xié)議的應(yīng)用芯片DS130203DS1302是個實(shí)時時鐘芯片，我們可以用單片機(jī)寫入時間或者讀取當(dāng)前的時間數(shù)據(jù)，下面通過閱讀這個芯片的數(shù)據(jù)手冊來學(xué)習(xí)和掌握這個器件。DS1302芯片描述3.1DS1302是DALLAS（達(dá)拉斯）公司推出的一款涓流充電時鐘芯片，2001年DALLAS被MAXIM（美信）收購，因此我們看到的DS1302的數(shù)據(jù)手冊既有DALLAS的標(biāo)志，又有MAXIM的標(biāo)志。DS1302包含一個實(shí)時時鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與微處理器通訊，這個實(shí)時時鐘/日歷提供年月日，時分秒信息。對于少于31天的月份月末會自動調(diào)整，還有閏年校正.由于有一個AM/PM指示器，時鐘可以工作在12小時制或者24小時制。最關(guān)鍵的是，使用SPI通信協(xié)議簡化了DS1302與單片機(jī)的接口連接過程，與時鐘/RAM通訊只需要三根線：CE（片選線）、I/O(數(shù)據(jù)線)和SCLK(時鐘線)。DS1302被設(shè)計工作在非常低的功率控制下還能繼續(xù)完成工作，例如在低于1μW時還能保持?jǐn)?shù)據(jù)和時鐘信息。相比較上一代DS1202芯片DS1302還具有雙管腳主電源和備用電源，可編程涓流充電器VCC1，并附加七個字節(jié)的暫存器。此外，DS1302芯片還具有以下特性：1、DS1302是一個實(shí)時時鐘芯片，可以提供秒、分、小時、日期、月、年等信息，并且還有軟件自動調(diào)整的能力，可以通過配置AM/PM來決定采用24小時格式還是12小時格式。2、串行I/O通信方式，相對并行來說比較節(jié)省IO口的使用。3、DS1302的工作電壓比較寬，在2.0～5.5V的范圍內(nèi)都可以正常工作。4、DS1302這種時鐘芯片功耗一般都很低，它在工作電壓2.0V的時候，工作電流小于300nA。5、當(dāng)供電電壓是5V的時候，兼容標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，這里的意思是，可以完美的和單片機(jī)進(jìn)行通信。6、由于DS1302是DS1202的升級版本，所以所有的功能都兼容DS1202。此外DS1302有兩個電源輸入，一個是主電源，另外一個是備用電源，比如可以用電池或者大電容，這樣做是為了在系統(tǒng)掉電的情況下，我們的時鐘還會繼續(xù)走。如果使用的是充電電池，還可以在正常工作時，設(shè)置充電功能，給我們的備用電池進(jìn)行充電。DS1302引腳封裝3.2DS1302共有8個引腳，有兩種封裝形式，這里主要以DIP-8封裝為例，芯片寬度（不含引腳）是300mil，如圖9-5所示。所謂的DIP(DualInlinePackage)封裝，就是雙列直插式封裝技術(shù)，就如同我們開發(fā)板上的STC89C52單片機(jī)，就是個典型的DIP封裝，當(dāng)然這個STC89C52還有其它的封裝樣式，為了方便學(xué)習(xí)使用，我們采用的是DIP封裝。DS1302一共有8個引腳，下邊要根據(jù)引腳分布圖和典型電路圖來介紹一下每個引腳的功能：1腳VCC2是主電源正極的引腳，2腳X1和3腳X2是晶振輸入和輸出引腳，4腳GND是負(fù)極，5腳CE是使能引腳，接單片機(jī)的IO口，6腳I/O是數(shù)據(jù)傳輸引腳，接單片機(jī)的IO口，7腳SCLK是通信時鐘引腳，接單片機(jī)的IO口，8腳VCC1是備用電源引腳?？紤]到KST-51開發(fā)板是一套以學(xué)習(xí)為目的的板子，加上備用電池對航空運(yùn)輸和攜帶不方便，所以8腳沒有接備用電池，而是接了一個10uF的電容，這個電容就相當(dāng)于一個電量很小的電池，經(jīng)過試驗測量得出其可以在系統(tǒng)掉電后仍維持DS1302運(yùn)行1分鐘左右，如果大家想運(yùn)行時間再長，可以加大電容的容量或者換成備用電池，如果掉電后不需要它再維持運(yùn)行，也可以干脆懸空，如圖9-6和圖9-7所示。我們把8個引腳功能分別介紹，如表9-2所示。DS1302電路的一個重點(diǎn)就是晶振電路，它所使用的晶振是一個32.768k的晶振，晶振外部也不需要額外添加其它的電容或者電阻了。時鐘的精度，首先取決于晶振的精度以及晶振的引腳負(fù)載電容。如果晶振不準(zhǔn)或者負(fù)載電容過大或過小，都會導(dǎo)致時鐘誤差過大。在這一切都搞定后，最終一個考慮因素是晶振的溫漂。隨著溫度的變化，晶振的精度也會發(fā)生變化，因此，在實(shí)際的系統(tǒng)中，其中一種方法就是經(jīng)常校對。DS1302典型電路3.3DS1302與單片機(jī)的連接也僅需要3條線：CE引腳、SCLK串行時鐘引腳、I/O串行數(shù)據(jù)引腳，Vcc2為備用電源，外接32.768kHz晶振，為芯片提供計時脈沖，圖9-8是DS1302的典型應(yīng)用示意圖。如何與單片機(jī)連接和互相通信是DS1302芯片應(yīng)用的重點(diǎn)，如圖9-9是DS1302與單片機(jī)連接示意圖。DS1302寄存器介紹3.4DS1302的一條指令一個字節(jié)共8位，其中第7位（即最高位）固定為1，這一位如果是0的話，那寫進(jìn)去也是無效的。第6位是選擇RAM還是CLOCK的，本節(jié)主要講CLOCK時鐘的使用，它的RAM功能不用，所以如果選擇CLOCK功能，第6位是0，如果要用RAM，那第6位就是1。從第5到第1位，決定了寄存器的5位地址，而第0位是讀寫位，如果要寫，這一位就是0，如果要讀，這一位就是1。指令字節(jié)直觀位分配如圖9-10所示。DS1302時鐘的寄存器，其中8個和時鐘有關(guān)的，5位地址分別是0b00000～0b00111，還有一個寄存器的地址是01000，這是涓流充電所用的寄存器，本節(jié)不講。在DS1302的數(shù)據(jù)手冊里的地址，直接把第7位、第6位和第0位值給出來了，所以指令就成了0x80、0x81那些了，最低位是1，那么表示讀，最低位是0表示寫，如圖9-11所示是DS1302時鐘寄存器。寄存器0：最高位CH是一個時鐘停止標(biāo)志位。如果時鐘電路有備用電源，上電后，我們要先檢測一下這一位，如果這一位是0，那說明時鐘芯片在系統(tǒng)掉電后，由于備用電源的供給，時鐘是持續(xù)正常運(yùn)行的；如果這一位是1，那么說明時鐘芯片在系統(tǒng)掉電后，時鐘部分不工作了。如果Vcc1懸空或者是電池沒電了，當(dāng)我們下次重新上電時，讀取這一位，那這一位就是1，我們可以通過這一位判斷時鐘在單片機(jī)系統(tǒng)掉電后是否還正常運(yùn)行。剩下的7位高3位是秒的十位，低4位是秒的個位，這里再提請注意一次，DS1302內(nèi)部是BCD碼，而秒的十位最大是5，所以3個二進(jìn)制位就夠了。寄存器1：最高位未使用，剩下的7位中高3位是分鐘的十位，低4位是分鐘的個位。寄存器2：bit7是1的話代表是12小時制，0代表是24小時制；bit6固定是0，bit5在12小時制下0代表的是上午，1代表的是下午，在24小時制下和bit4一起代表了小時的十位，低4位代表的是小時的個位。寄存器3：高2位固定是0，bit5和bit4是日期的十位，低4位是日期的個位。寄存器4：高3位固定是0，bit4是月的十位，低4位是月的個位。寄存器5：高5位固定是0，低3位代表了星期。寄存器6：高4位代表了年的十位，低4位代表了年的個位。請?zhí)貏e注意，這里的00～99指的是2000年～2099年。寄存器7：最高位一個寫保護(hù)位，如果這一位是1，那么是禁止給任何其它寄存器或者那31個字節(jié)的RAM寫數(shù)據(jù)的。因此在寫數(shù)據(jù)之前，這一位必須先寫成0。DS1302通信時序介紹3.5DS1302我們前邊也有提起過，是三根線，分別是CE、I/O和SCLK，其中CE是使能線，SCLK是時鐘線，I/O是數(shù)據(jù)線，看似與SPI通信協(xié)議接口一樣。事實(shí)上，DS1302的通信是SPI的變異種類，它用了SPI的通信時序，但是通信的時候沒有完全按照SPI的規(guī)則來，下面我們一點(diǎn)點(diǎn)解剖DS1302的變異SPI通信方式。先看一下單字節(jié)寫入操作，如圖9-12所示。然后我們再對比一下CPOL=0/CPHA=0情況下的SPI的操作時序，如圖9-13。所示。圖9-12和圖9-13的通信時序，其中CE和SSEL的使能控制是反的，對于通信寫數(shù)據(jù)，都是在SCK的上升沿，從機(jī)進(jìn)行采樣，下降沿的時候，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。DS1302的時序里，單片機(jī)要預(yù)先寫一個字節(jié)指令，指明要寫入的寄存器的地址以及后續(xù)的操作是寫操作，然后再寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。對于單字節(jié)讀操作，我就不做對比了，把DS1302的時序圖貼出來，大家自己看一下即可，如圖9-14所示。讀操作有兩處需要特別注意的地方。第一，DS1302的時序圖上的箭頭都是針對DS1302來說的，因此讀操作的時候，先寫第一個字節(jié)指令，上升沿的時候DS1302來鎖存數(shù)據(jù)，下降沿我們用單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。到了第二個字?jǐn)?shù)據(jù)，由于我們這個時序過程相當(dāng)于CPOL=0/CPHA=0，前沿發(fā)送數(shù)據(jù)，后沿讀取數(shù)據(jù)，第二個字節(jié)是DS1302下降沿輸出數(shù)據(jù)，我們的單片機(jī)上升沿來讀取，因此箭頭從DS1302角度來說，出現(xiàn)在了下降沿。第二個需要注意的地方就是，我們的單片機(jī)沒有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，和I2C一樣需要用IO口來模擬通信過程。在讀DS1302的時候，理論上SPI是上升沿讀取，但是程序是用IO口模擬的，所以數(shù)據(jù)的讀取和時鐘沿的變化不可能同時了，必然就有一個先后順序。通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，如果先讀取IO線上的數(shù)據(jù)，再拉高SCLK產(chǎn)生上升沿，那么讀到的數(shù)據(jù)一定是正確的，而顛倒順序后數(shù)據(jù)就有可能出錯。這個問題產(chǎn)生的原因還是在于DS1302的通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議存在的差異造成的，如果是標(biāo)準(zhǔn)SPI的數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)會一直保持到下一個周期的下降沿才會變化，所以讀取數(shù)據(jù)和上升沿的先后順序就無所謂了；但DS1302的IO線會在時鐘上升沿后被DS1302釋放，也就是撤銷強(qiáng)推挽輸出變?yōu)槿跸吕瓲顟B(tài)，而此時在51單片機(jī)引腳內(nèi)部上拉的作用下，IO線上的實(shí)際電平會慢慢上升，從而導(dǎo)致在上升沿產(chǎn)生后再讀取IO數(shù)據(jù)的話就可能會出錯。因此這里的程序我們按照先讀取IO數(shù)據(jù)，再拉高SCLK產(chǎn)生上升沿的順序。DS1302與單片機(jī)通信的典型示例04項目要求：利用單片機(jī)（示例型號AT89C51）的P0、P1和P2端口分別與顯示部分（LC