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瑞彩祥云

作者:Piyu Dhaker時間:2019-05-29來源:電子産品世界收藏

  作者/Piyu Dhaker ADI公司北美核心应用部门

本文引用地址:/article/201905/401028.htm

  摘要:串行外設接口()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。本文首先簡要說明接口,然後介紹了ADI公司支持的模擬,以及它们如何帮助减少系统電路板設計中的数字GPIO数量。

  關鍵詞:SPI;

  SPI是一種同步、全雙工、主從式接口。來自主機或從機的數據在時鍾上升沿或下降沿同步。主機和從機可以同時傳輸數據。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:

  ? 时钟(SPI CLK,SCLK);

  ? 片选(CS);

  ? 主机输出、从机输入(MOSI);

  ? 主机输入、从机输出(MISO)。

  产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据與主机产生的时钟同步。同I 2 C接口相比,SPI器件支持更高的时钟频率。用户应查阅产品数据手册以了解SPI接口的时钟频率规格。

  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。

  来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号,拉高时从机與SPI总线断开连接。当使用多个从机时,主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号。

  MOSI和MISO是數據線。MOSI將數據從主機發送到從機,MISO將數據從從機發送到主機。

  2 数据传输

  要開始SPI通信,主機必須發送時鍾信號,並通過使能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線路同時發送數據。在SPI通信期間,數據的發送(串行移出到MOSI/SDO總線上)和接收(采樣或讀入總線(MISO/SDI)上的數據)同時進行。串行時鍾沿同步數據的移位和采樣。SPI接口允許用戶靈活選擇時鍾的上升沿或下降沿來采樣和/或移位數據。欲確定使用SPI接口傳輸的數據位數,請參閱器件數據手冊。

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  3 时钟极性和时钟相位

  在SPI中,主機可以選擇時鍾極性和時鍾相位。在空閑狀態期間,CPOL位設置時鍾信號的極性。空閑狀態是指傳輸開始時CS爲高電平且在向低電平轉變的期間,以及傳輸結束時CS爲低電平且在向高電平轉變的期間。CPHA位選擇時鍾相位。根據CPHA位的狀態,使用時鍾上升沿或下降沿來采樣和/或移位數據。主機必須根據從機的要求選擇時鍾極性和時鍾相位。根據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,數據顯示在MOSI和MISO線上。傳輸的開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,用戶須參閱産品數據手冊並確保滿足器件的時序規格。

  圖3給出了SPI模式1的時序圖。在此模式下,時鍾極性爲0,表示時鍾信號的空閑狀態爲低電平。此模式下的時鍾相位爲1,表示數據在下降沿采樣(由橙色虛線顯示),並且數據在時鍾信號的上升沿移出(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,時鍾極性爲1,表示時鍾信號的空閑狀態爲高電平。此模式下的時鍾相位爲1,表示數據在下降沿采樣(由橙色虛線顯示),並且數據在時鍾信號的上升沿移出(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,時鍾極性爲1,表示時鍾信號的空閑狀態爲高電平。此模式下的時鍾相位爲0,表示數據在上升沿采樣(由橙色虛線顯示),並且數據在時鍾信號的下降沿移出(由藍色虛線顯示)。

  4 多从机配置

  多个从机可與单个SPI主机一起使用。从机可以采用常规模式连接,或采用菊花链模式连接。

  4.1 常规SPI模式

  在常規模式下,主機需要爲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線上的時鍾和數據便可用于所選的從機。如果使能多個片選信號,則MISO線上的數據會被破壞,因爲主機無法識別哪個從機正在傳輸數據。

  從圖6可以看出,隨著從機數量的增加,來自主機的片選線的數量也增加。這會快速增加主機需要提供的輸入和輸出數量,並限制可以使用的從機數量。可以使用其他技術來增加常規模式下的從機數量,例如使用多路複用器産生片選信號。

  4.2 菊花链模式

  在菊花鏈模式下,所有從機的片選信號連接在一起,數據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時鍾。來自主機的數據直接送到第一個從機,該從機將數據提供給下一個從機,依此類推。

  使用该方法时,由于数据是从一个从机传播到下一个从机,所以传输数据所需的时钟周期数與菊花链中的从机位置成比例。例如在图7所示的8位系统中,为使第3个从机能够获得数据,需要24个时钟脉冲,而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。图8显示了时钟周期和通过菊花链的数据传播。并非所有SPI器件都支持菊花链模式。请参阅产品数据手册以确认菊花链是否可用。

  5 ADI公司支持SPI的模擬

  ADI公司最新一代支持SPI的開關可在不影响精密開關性能的情况下显著节省空间。本文的这一部分将讨论一个案例研究,说明支持SPI的開關或多路复用器如何能够大大简化系统级設計并减少所需的GPIO数量。

  ADG1412是一款四通道、单刀单掷(SPST)開關,需要四个GPIO连接到每个開關的控制输入。图9显示了微控制器和一个ADG1412之间的连接。

  随着電路板上開關数量的增加,所需GPIO的数量图13 菊花链配置的SPI開關可进一步优化GPIO也会显著增加。例如,当設計一个测试仪器系统时,会使用大量開關来增加系统中的通道数。在4×4交叉点矩阵配置中,使用四个ADG1412。此系统需要16个GPIO,限制了标准微控制器中的可用GPIO。图10显示了使用微控制器的16个GPIO连接四个ADG1412。

  为了减少GPIO数量,一种方法是使用串行转并行轉換器,如图11所示。该器件输出的并行信号可连接到開關控制输入,器件可通过串行接口SPI配置。此方法的缺点是外加器件会导致物料清单增加。

  另一种方法是使用SPI控制的開關。此方法的优点是可减少所需GPIO的数量,并且还能消除外加串行转并行轉換器的开销。如图12所示,不需要16个微控制器GPIO,只需要7个微控制器GPIO就可以向4个ADGS1412提供SPI信号。

  開關可采用菊花链配置,以进一步优化GPIO数量。在菊花链配置中,无论系统使用多少開關,都只使用主机(微控制器)的四个GPIO。

  图13用于说明目的。ADGS1412数据手册建议在SDO引脚上使用一个上拉电阻。有关菊花链模式的更多信息,请参阅ADGS1412数据手册。为简单起见,此示例使用了四个開關。随着系统中開關数量的增加,電路板简单和节省空间的优点很重要。在6层電路板上放置8个四通道SPST開關,采用4×8交叉点配置时,ADI公司支持SPI的開關可节省20%的总電路板空间。文章《精密SPI開關配置提高通道密度》 [2] 详细说明了精密SPI開關配置如何提高通道密度。

  除此之外,ADI公司提供多种支持SPI的模擬開關與多路轉換器。

  參考文獻

  [1]ADuCM3029数据手册. ADI公司,2017年3月.

  [2]Nugent S.精密SPI開關配置提高通道密度. 模拟对话,2017年5月.

  [3]Usach M.应用笔记AN-1248:SPI接口. ADI公司,2015年9月.

  作者簡介

  Piyu Dhaker是ADI公司北美核心应用部门的应用工程师。2007年毕业于圣何塞大学,获电气工程硕士学位。2017年6月加入北美核心应用部门。此前,她也在ADI公司的汽车传动系统部门和電源管理部门工作过。

  本文來源于科技期刊《電子産品世界》2019年第6期第82頁,歡迎您寫論文時引用,並注明出處



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