SPI總線在51系列單片機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

　　摘要：MCS51系列、MCS96系列等單片機(jī)由于都不帶SPI串行總線接口而限制了其在SPI總線接口器件的使用。文中介紹了SPI串行總線的特征和時(shí)序，并以串行E2PROM為例，給出了在51系列單片機(jī)上利用I/O口線實(shí)現(xiàn)SPI串行總線接口的方法和軟件設(shè)計(jì)程序。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī) SPI串行總線 總線接口

1 引言

　　SPI(Serial Peripheral Interface--串行外設(shè)接口)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOST和低電平有效的從機(jī)選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT或INT、有的SPI接口芯片沒(méi)有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI)。由于SPI系統(tǒng)總線一共只需3～4位數(shù)據(jù)線和控制即可實(shí)現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進(jìn)行接口，而擴(kuò)展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)線、8～16位地址線、2～3位控制線，因此，采用SPI總線接口可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性。由此可見(jiàn)，在MCS51系列等不具有SPI接口的單片機(jī)組成的智能儀器和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸速度要求不是太高時(shí)，使用SPI總線可以增加應(yīng)用系統(tǒng)接口器件的種類(lèi)，提高應(yīng)用系統(tǒng)的性能。

2 SPI總線的組成

　　利用SPI總線可在軟件的控制下構(gòu)成各種系統(tǒng)。如1個(gè)主MCU和幾個(gè)從MCU、幾個(gè)從MCU相互連接構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)（分布式系統(tǒng)）、1個(gè)主MCU和1個(gè)或幾個(gè)從I/O設(shè)備所構(gòu)成的各種系統(tǒng)等。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，可使用1個(gè)MCU作為控機(jī)來(lái)控制數(shù)據(jù)，并向1個(gè)或幾個(gè)從外圍器件傳送該數(shù)據(jù)。從器件只有在主機(jī)發(fā)命令時(shí)才能接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。SPI總線接口系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　當(dāng)一個(gè)主控機(jī)通過(guò)SPI與幾種不同的串行I/O芯片相連時(shí)，必須使用每片的允許控制端，這可通過(guò)MCU的I/O端口輸出線來(lái)實(shí)現(xiàn)。但應(yīng)特別注意這些串行I/O芯片的輸入輸出特性：首先是輸入芯片的串行數(shù)據(jù)輸出是否有三態(tài)控制端。平時(shí)未選中芯片時(shí)，輸出端應(yīng)處于高阻態(tài)。若沒(méi)有三態(tài)控制端，則應(yīng)外加三態(tài)門(mén)。否則MCU的MISO端只能連接1個(gè)輸入芯片。其次是輸出芯片的串行數(shù)據(jù)輸入是否有允許控制端。因此只有在此芯片允許時(shí)，SCK脈沖才把串行數(shù)據(jù)移入該芯片；在禁止時(shí)，SCK對(duì)芯片無(wú)影響。若沒(méi)有允許控制端，則應(yīng)在外圍用門(mén)電路對(duì)SCK進(jìn)行控制，然后再加到芯片的時(shí)鐘輸入端；當(dāng)然，也可以只在SPI總線上連接1個(gè)芯片，而不再連接其它輸入或輸出芯片。

3 在MCS51系列單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)方法

　　對(duì)于不帶SPI串行總線接口的MCS51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，可以使用軟件來(lái)模擬SPI的操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對(duì)于在SCK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)將其串行時(shí)鐘輸出口P1.1的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接口后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位SCK時(shí)鐘的同時(shí)，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至MCS51單片機(jī)的P1.3口（模擬MCU的MISO線），此后再置P1.1為1，使MCS51系列單片機(jī)從P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數(shù)據(jù)的輸入輸出……，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過(guò)SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。對(duì)于在SCK的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，則應(yīng)取串行時(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為0，即在接口芯片允許時(shí)，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數(shù)據(jù)（MCU接收1位數(shù)據(jù)），之后再置時(shí)鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數(shù)據(jù)(MCU發(fā)送1位數(shù)據(jù))，從而完成1位數(shù)據(jù)的傳送。

　　圖2所示為MCS51系列單片機(jī)與存儲(chǔ)器X25F008（E2PROM）的硬件連接圖，圖2中，P1.0模擬MCU的數(shù)據(jù)輸出端（MOSI），P1.1模擬SPI的SCK輸出端，P1.2模擬SPI的從機(jī)選擇端，P1.3模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端（MISO）。下面介紹用MCS51單片機(jī)的匯編語(yǔ)言模擬SPI串行輸入、串行輸出和串行輸入/輸出的3個(gè)子程序，實(shí)際上，這些子程序也適用于在串行時(shí)鐘的上升沿輸入和下降沿輸出的其它各種串行外圍接口芯片（如A/D轉(zhuǎn)換芯片、網(wǎng)絡(luò)控制器芯片、LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片等）。對(duì)于下降沿輸入、上升沿輸出的各種串行外圍接口芯片，只要改變P1.1的輸出電平順序，即先置P1.1為低電平，之后再次置P1.1為高電平，再置P1.1為低電平……，則這些子程序也同樣適用。

3.1 MCU串行輸入子程序SPIIN

從X25F008的SPISO線上接收8位數(shù)據(jù)并放入寄存器R0中的應(yīng)用子程序如下：

SPIIN：SETB P1.1 ；使P1.1(時(shí)鐘)輸出為1

CLR P1.2 ;選擇從機(jī)

MOV R1，#08H ；置循環(huán)次數(shù)

SPIIN1:CLR P1.1 ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0

NOP ；延時(shí)

NOP

MOV C，P1.3 ；從機(jī)輸出SPISO送進(jìn)位C

RLC A ；左移至累加器ACC

SETB P1.1 ；使P1.0(時(shí)鐘)輸出為1

DJNZ R1,SPIIN1 ；判斷是否循環(huán)8次（8位數(shù)據(jù)）

MOV R0，A ；8位數(shù)據(jù)送R0

RET

3.2 MCU串行輸出子程序SPIOUT

將MCS51單片機(jī)中R0寄存器的內(nèi)容傳送到X25F008的SPISI線上的程序如下：

SPIOUT：SETB P1.1 ;使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1

CLR P1.2 ;選擇從機(jī)

MOV R1,#08H ；置循環(huán)次數(shù)

MOV A,R0 ；8位數(shù)據(jù)送累加器ACC

SPIOUT1：CLR P1.1 ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0

NOP ；延時(shí)

NOP

RLC A ；左移至累加器ACC最高位至C

MOV P1.0，C ；進(jìn)位C送從機(jī)輸入SPISI線上

SETB P1.1 ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1

DJNZ R1,SPIOUT1 ;判是否循環(huán)8次（8位數(shù)據(jù)）

RET

3.3 MCU串行輸入/輸出子程序SPIIO

將MCS51單片機(jī)R0寄存器的內(nèi)容傳送到X25F008的SPISI中，同時(shí)從X25F008的SPISO接收8位數(shù)據(jù)的程序如下：

SPIIO：SETB P1.1 ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1

CLR P1.2 ；選擇從機(jī)

MOV R1，#08H ；置循環(huán)次數(shù)

MOV A，R0 ；8位數(shù)據(jù)送累加器ACC

SPIIO1：CLR P1.1 ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為0

NOP ；延時(shí)

NOP

MOV C，P1.3 ；從機(jī)輸出SPISO送進(jìn)位C

RLC A ；左移至累加器ACC最高位至C

MOV P1.0，C ；進(jìn)位C送從機(jī)輸入

SETB P1.1 ；使P1.1（時(shí)鐘）輸出為1

DJNZ R1，SPIIO1 ；判斷是否循環(huán)8次（8位數(shù)據(jù)）

RET

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了通過(guò)SPI總線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法，給出了用MCS51單片機(jī)匯編語(yǔ)言模擬SPI串行總線的輸入、輸出，輸入/輸出以傳送8位數(shù)據(jù)的子程序。實(shí)際上，也可以根據(jù)SPI串行總線的操作時(shí)序特點(diǎn)來(lái)在MCS96系列、ATMEL89系列等單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)SPI總線的接口。