SPI接口簡介

　　作者/Piyu Dhaker ADI公司北美核心應用部門

　　摘要：串行外設接口(SPI)是微控制器和外圍IC（如傳感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之間使用最廣泛的接口之一。本文首先簡要說明SPI接口，然后介紹了ADI公司支持SPI的模擬開關與多路轉(zhuǎn)換器，以及它們?nèi)绾螏椭鷾p少系統(tǒng)電路板設計中的數(shù)字GPIO數(shù)量。

　　關鍵詞：SPI；開關；多路轉(zhuǎn)換器

　　SPI是一種同步、全雙工、主從式接口。來自主機或從機的數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿同步。主機和從機可以同時傳輸數(shù)據(jù)。SPI接口可以是3線式或4線式。本文重點介紹常用的4線SPI接口。

　　1 接口

　　4線SPI器件有四個信號：

　　? 時鐘（SPI CLK，SCLK）；

　　? 片選(CS)；

　　? 主機輸出、從機輸入(MOSI)；

　　? 主機輸入、從機輸出(MISO)。

　　產(chǎn)生時鐘信號的器件稱為主機。主機和從機之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機產(chǎn)生的時鐘同步。同I 2 C接口相比，SPI器件支持更高的時鐘頻率。用戶應查閱產(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，但可以有一個或多個從機。圖1顯示了主機和從機之間的SPI連接。

　　來自主機的片選信號用于選擇從機。這通常是一個低電平有效信號，拉高時從機與SPI總線斷開連接。當使用多個從機時，主機需要為每個從機提供單獨的片選信號。本文中的片選信號始終是低電平有效信號。

　　MOSI和MISO是數(shù)據(jù)線。MOSI將數(shù)據(jù)從主機發(fā)送到從機，MISO將數(shù)據(jù)從從機發(fā)送到主機。

　　2 數(shù)據(jù)傳輸

　　要開始SPI通信，主機必須發(fā)送時鐘信號，并通過使能CS信號選擇從機。片選通常是低電平有效信號。因此，主機必須在該信號上發(fā)送邏輯0以選擇從機。SPI是全雙工接口，主機和從機可以分別通過MOSI和MISO線路同時發(fā)送數(shù)據(jù)。在SPI通信期間，數(shù)據(jù)的發(fā)送（串行移出到MOSI/SDO總線上）和接收（采樣或讀入總線(MISO/SDI)上的數(shù)據(jù)）同時進行。串行時鐘沿同步數(shù)據(jù)的移位和采樣。SPI接口允許用戶靈活選擇時鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。欲確定使用SPI接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，請參閱器件數(shù)據(jù)手冊。

　　3 時鐘極性和時鐘相位

　　在SPI中，主機可以選擇時鐘極性和時鐘相位。在空閑狀態(tài)期間，CPOL位設置時鐘信號的極性。空閑狀態(tài)是指傳輸開始時CS為高電平且在向低電平轉(zhuǎn)變的期間，以及傳輸結束時CS為低電平且在向高電平轉(zhuǎn)變的期間。CPHA位選擇時鐘相位。根據(jù)CPHA位的狀態(tài)，使用時鐘上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。主機必須根據(jù)從機的要求選擇時鐘極性和時鐘相位。根據(jù)CPOL和CPHA位的選擇，有四種SPI模式可用。表1顯示了這4種SPI模式。

　　圖2至圖5顯示了四種SPI模式下的通信示例。在這些示例中，數(shù)據(jù)顯示在MOSI和MISO線上。傳輸?shù)拈_始和結束用綠色虛線表示，采樣邊沿用橙色虛線表示，移位邊沿用藍色虛線表示。請注意，這些圖形僅供參考。要成功進行SPI通信，用戶須參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊并確保滿足器件的時序規(guī)格。

　　圖3給出了SPI模式1的時序圖。在此模式下，時鐘極性為0，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為低電平。此模式下的時鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿移出（由藍色虛線顯示）。

　　圖4給出了SPI模式2的時序圖。在此模式下，時鐘極性為1，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿移出（由藍色虛線顯示）。

　　圖5給出了SPI模式3的時序圖。在此模式下，時鐘極性為1，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時鐘相位為0，表示數(shù)據(jù)在上升沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿移出（由藍色虛線顯示）。

　　4 多從機配置

　　多個從機可與單個SPI主機一起使用。從機可以采用常規(guī)模式連接，或采用菊花鏈模式連接。

　　4.1 常規(guī)SPI模式

　　在常規(guī)模式下，主機需要為每個從機提供單獨的片選信號。一旦主機使能（拉低）片選信號，MOSI/MISO線上的時鐘和數(shù)據(jù)便可用于所選的從機。如果使能多個片選信號，則MISO線上的數(shù)據(jù)會被破壞，因為主機無法識別哪個從機正在傳輸數(shù)據(jù)。

　　從圖6可以看出，隨著從機數(shù)量的增加，來自主機的片選線的數(shù)量也增加。這會快速增加主機需要提供的輸入和輸出數(shù)量，并限制可以使用的從機數(shù)量?？梢允褂闷渌夹g來增加常規(guī)模式下的從機數(shù)量，例如使用多路復用器產(chǎn)生片選信號。

　　4.2 菊花鏈模式

　　在菊花鏈模式下，所有從機的片選信號連接在一起，數(shù)據(jù)從一個從機傳播到下一個從機。在此配置中，所有從機同時接收同一SPI時鐘。來自主機的數(shù)據(jù)直接送到第一個從機，該從機將數(shù)據(jù)提供給下一個從機，依此類推。

　　使用該方法時，由于數(shù)據(jù)是從一個從機傳播到下一個從機，所以傳輸數(shù)據(jù)所需的時鐘周期數(shù)與菊花鏈中的從機位置成比例。例如在圖7所示的8位系統(tǒng)中，為使第3個從機能夠獲得數(shù)據(jù)，需要24個時鐘脈沖，而常規(guī)SPI模式下只需8個時鐘脈沖。圖8顯示了時鐘周期和通過菊花鏈的數(shù)據(jù)傳播。并非所有SPI器件都支持菊花鏈模式。請參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊以確認菊花鏈是否可用。

　　5 ADI公司支持SPI的模擬開關與多路轉(zhuǎn)換器

　　ADI公司最新一代支持SPI的開關可在不影響精密開關性能的情況下顯著節(jié)省空間。本文的這一部分將討論一個案例研究，說明支持SPI的開關或多路復用器如何能夠大大簡化系統(tǒng)級設計并減少所需的GPIO數(shù)量。

　　ADG1412是一款四通道、單刀單擲(SPST)開關，需要四個GPIO連接到每個開關的控制輸入。圖9顯示了微控制器和一個ADG1412之間的連接。

　　隨著電路板上開關數(shù)量的增加，所需GPIO的數(shù)量圖13 菊花鏈配置的SPI開關可進一步優(yōu)化GPIO也會顯著增加。例如，當設計一個測試儀器系統(tǒng)時，會使用大量開關來增加系統(tǒng)中的通道數(shù)。在4×4交叉點矩陣配置中，使用四個ADG1412。此系統(tǒng)需要16個GPIO，限制了標準微控制器中的可用GPIO。圖10顯示了使用微控制器的16個GPIO連接四個ADG1412。

　　為了減少GPIO數(shù)量，一種方法是使用串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器，如圖11所示。該器件輸出的并行信號可連接到開關控制輸入，器件可通過串行接口SPI配置。此方法的缺點是外加器件會導致物料清單增加。

　　另一種方法是使用SPI控制的開關。此方法的優(yōu)點是可減少所需GPIO的數(shù)量，并且還能消除外加串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器的開銷。如圖12所示，不需要16個微控制器GPIO，只需要7個微控制器GPIO就可以向4個ADGS1412提供SPI信號。

　　開關可采用菊花鏈配置，以進一步優(yōu)化GPIO數(shù)量。在菊花鏈配置中，無論系統(tǒng)使用多少開關，都只使用主機（微控制器）的四個GPIO。

　　圖13用于說明目的。ADGS1412數(shù)據(jù)手冊建議在SDO引腳上使用一個上拉電阻。有關菊花鏈模式的更多信息，請參閱ADGS1412數(shù)據(jù)手冊。為簡單起見，此示例使用了四個開關。隨著系統(tǒng)中開關數(shù)量的增加，電路板簡單和節(jié)省空間的優(yōu)點很重要。在6層電路板上放置8個四通道SPST開關，采用4×8交叉點配置時，ADI公司支持SPI的開關可節(jié)省20%的總電路板空間。文章《精密SPI開關配置提高通道密度》 [2] 詳細說明了精密SPI開關配置如何提高通道密度。

　　除此之外，ADI公司提供多種支持SPI的模擬開關與多路轉(zhuǎn)換器。

　　參考文獻

　　[1]ADuCM3029數(shù)據(jù)手冊. ADI公司，2017年3月.

　　[2]Nugent S.精密SPI開關配置提高通道密度. 模擬對話，2017年5月.

　　[3]Usach M.應用筆記AN-1248：SPI接口. ADI公司，2015年9月.

　　作者簡介

　　Piyu Dhaker是ADI公司北美核心應用部門的應用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學，獲電氣工程碩士學位。2017年6月加入北美核心應用部門。此前，她也在ADI公司的汽車傳動系統(tǒng)部門和電源管理部門工作過。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第82頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處