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SPI总线在51系列单片机系统中的实现

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:MCS51系列、MCS96系列等单片机由于都不带SPI串行总线接口而限制了其在SPI总线接口器件的使用。文中介绍了SPI串行总线的特征和时序,并以串行E2PROM为例,给出了在51系列单片机上利用I/O口线实现SPI串行总线接口的方法和软件设计程序。
  关键词:单片机SPI串行总线总线接口
  
  1引言
  
  SPI(SerialPeripheralInterface--串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口,它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,该接口一般使用4条线:串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。由于SPI系统总线一共只需3~4位数据线和控制即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/O器件进行接口,而扩展并行总线则需要8根数据线、8~16位地址线、2~3位控制线,因此,采用SPI总线接口可以简化电路设计,节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线,提高设计的可靠性。由此可见,在MCS51系列等不具有SPI接口的单片机组成的智能仪器和工业测控系统中,当传输速度要求不是太高时,使用SPI总线可以增加应用系统接口器件的种类,提高应用系统的性能。
  
  2SPI总线的组成
  
  利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统。如1个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统(分布式系统)、1个主MCU和1个或几个从I/O设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合,可使用1个MCU作为控机来控制数据,并向1个或几个从外围器件传送该数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。其数据的传输格式是高位(MSB)在前,低位(LSB)在后。SPI总线接口系统的典型结构如图1所示。
  
  当一个主控机通过SPI与几种不同的串行I/O芯片相连时,必须使用每片的允许控制端,这可通过MCU的I/O端口输出线来实现。但应特别注意这些串行I/O芯片的输入输出特性:首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯片时,输出端应处于高阻态。若没有三态控制端,则应外加三态门。否则MCU的MISO端只能连接1个输入芯片。其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。因此只有在此芯片允许时,SCK脉冲才把串行数据移入该芯片;在禁止时,SCK对芯片无影响。若没有允许控制端,则应在外围用门电路对SCK进行控制,然后再加到芯片的时钟输入端;当然,也可以只在SPI总线上连接1个芯片,而不再连接其它输入或输出芯片。
  
  3在MCS51系列单片机中的实现方法
  
  对于不带SPI串行总线接口的MCS51系列单片机来说,可以使用软件来模拟SPI的操作,包括串行时钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片,它们的时钟时序是不同的。对于在SCK的上升沿输入(接收)数据和在下降沿输出(发送)数据的器件,一般应将其串行时钟输出口P1.1的初始状态设置为1,而在允许接口后再置P1.1为0。这样,MCU在输出1位SCK时钟的同时,将使接口芯片串行左移,从而输出1位数据至MCS51单片机的P1.3口(模拟MCU的MISO线),此后再置P1.1为1,使MCS51系列单片机从P1.0(模拟MCU的MOSI线)输出1位数据(先为高位)至串行接口芯片。至此,模拟1位数据输入输出便宣告完成。此后再置P1.1为0,模拟下1位数据的输入输出……,依此循环8次,即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件,则应取串行时钟输出的初始状态为0,即在接口芯片允许时,先置P1.1为1,以便外围接口芯片输出1位数据(MCU接收1位数据),之后再置时钟为0,使外围接口芯片接收1位数据(MCU发送1位数据),从而完成1位数据的传送。
  
  图2所示为MCS51系列单片机与存储器X25F008(E2PROM)的硬件连接图,图2中,P1.0模拟MCU的数据输出端(MOSI),P1.1模拟SPI的SCK输出端,P1.2模拟SPI的从机选择端,P1.3模拟SPI的数据输入端(MISO)。下面介绍用MCS51单片机的汇编语言模拟SPI串行输入、串行输出和串行输入/输出的3个子程序,实际

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