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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。本文先簡(jiǎn)要說(shuō)明SPI接口，然后以ADI公司支持SPI的模擬開(kāi)關(guān)與多路轉換器為例，介紹它們如何幫助減少系統電路板設計中的數字GPIO數量。 SPI 是一種同步、全雙工、主從式接口。來(lái)自主機或從機的數據在時(shí)鐘上升沿或下降沿同步。主機和從機可以同時(shí)傳輸數據。SPI 接口可以是3線(xiàn)式或4線(xiàn)式。本文重點(diǎn)介紹常用的4線(xiàn)SPI接口。 接口 4線(xiàn)SPI器件有四個(gè)信號： · 時(shí)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(shí)鐘信號的器件稱(chēng)為主機。主機和從機之間傳輸的數據與主機產(chǎn)生的時(shí)鐘同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的時(shí)鐘頻率。用戶(hù)應查閱產(chǎn)品數據手冊以了解SPI接口的時(shí)鐘頻率規格。 SPI接口只能有一個(gè)主機，但可以有一個(gè)或多個(gè)從機。圖1顯示了主機和從機之間的SPI連接。 
圖1. 含主機和從機的SPI配置 來(lái)自主機的片選信號用于選擇從機。這通常是一個(gè)低電平有效信號，拉高時(shí)從機與SPI總線(xiàn)斷開(kāi)連接。當使用多個(gè)從機時(shí)，主機需要為每個(gè)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是數據線(xiàn)。MOSI將數據從主機發(fā)送到從機，MISO將數據從從機發(fā)送到主機。 數據傳輸 要開(kāi)始SPI通信，主機必須發(fā)送時(shí)鐘信號，并通過(guò)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(guò)MOSI和MISO線(xiàn)路同時(shí)發(fā)送數據。在SPI通信期間，數據的發(fā)送（串行移出到MOSI/SDO總線(xiàn)上）和接收（采樣或讀入總線(xiàn)(MISO/SDI)上的數據）同時(shí)進(jìn)行。串行時(shí)鐘沿同步數據的移位和采樣。SPI接口允許用戶(hù)靈活選擇時(shí)鐘的上升沿或下降沿來(lái)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。 時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位 在SPI中，主機可以選擇時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。在空閑狀態(tài)期間，CPOL位設置時(shí)鐘信號的極性�？臻e狀態(tài)是指傳輸開(kāi)始時(shí)CS為高電平且在向低電平轉變的期間，以及傳輸結束時(shí)CS為低電平且在向高電平轉變的期間。CPHA位選擇時(shí)鐘相位。根據CPHA位的狀態(tài)，使用時(shí)鐘上升沿或下降沿來(lái)采樣和/或移位數據。主機必須根據從機的要求選擇時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。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。 表1.通過(guò)CPOL和CPHA選擇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(xiàn)上。傳輸的開(kāi)始和結束用綠色虛線(xiàn)表示，采樣邊沿用橙色虛線(xiàn)表示，移位邊沿用藍色虛線(xiàn)表示。請注意，這些圖形僅供參考。要成功進(jìn)行SPI通信，用戶(hù)須參閱產(chǎn)品數據手冊并確保滿(mǎn)足器件的時(shí)序規格。
圖2. SPI模式0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數據在上升沿采樣，并在下降沿移出 圖3給出了SPI模式1的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為0，表示時(shí)鐘信號的空閑狀態(tài)為低電平。此模式下的時(shí)鐘相位為1，表示數據在下降沿采樣（由橙色虛線(xiàn)顯示），并且數據在時(shí)鐘信號的上升沿移出（由藍色虛線(xiàn)顯示）。
圖3. SPI模式1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 低電平，數據在下降沿采樣，并在上升沿移出
圖4. SPI模式2，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數據在下降沿采樣，并在上升沿移出 圖4給出了SPI模式2的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為1，表示時(shí)鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時(shí)鐘相位為1，表示數據在下降沿采樣（由橙色虛線(xiàn)顯示），并且數據在時(shí)鐘信號的上升沿移出（由藍色虛線(xiàn)顯示）。
圖5. SPI模式3，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK空閑狀態(tài) = 高電平，數據在上升沿采樣，并在下降沿移出 圖5給出了SPI模式3的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為1，表示時(shí)鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時(shí)鐘相位為0，表示數據在上升沿采樣（由橙色虛線(xiàn)顯示），并且數據在時(shí)鐘信號的下降沿移出（由藍色虛線(xiàn)顯示）。 多從機配置 多個(gè)從機可與單個(gè)SPI主機一起使用。從機可以采用常規模式連接，或采用菊花鏈模式連接。 常規SPI模式 在常規模式下，主機需要為每個(gè)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(xiàn)上的時(shí)鐘和數據便可用于所選的從機。如果使能多個(gè)片選信號，則MISO線(xiàn)上的數據會(huì )被破壞，因為主機無(wú)法識別哪個(gè)從機正在傳輸數據。 從圖6可以看出，隨著(zhù)從機數量的增加，來(lái)自主機的片選線(xiàn)的數量也增加。這會(huì )快速增加主機需要提供的輸入和輸出數量，并限制可以使用的從機數量�？梢允褂闷渌夹g(shù)來(lái)增加常規模式下的從機數量，例如使用多路復用器產(chǎn)生片選信號。
圖6. 多從機SPI配置 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，數據從一個(gè)從機傳播到下一個(gè)從機。在此配置中，所有從機同時(shí)接收同一SPI時(shí)鐘。來(lái)自主機的數據直接送到第一個(gè)從機，該從機將數據提供給下一個(gè)從機，依此類(lèi)推。 使用該方法時(shí)，由于數據是從一個(gè)從機傳播到下一個(gè)從機，所以傳輸數據所需的時(shí)鐘周期數與菊花鏈中的從機位置成比例。例如在圖7所示的8位系統中，為使第3個(gè)從機能夠獲得數據，需要24個(gè)時(shí)鐘脈沖，而常規SPI模式下只需8個(gè)時(shí)鐘脈沖。
圖7. 多從機SPI菊花鏈配置 圖8顯示了時(shí)鐘周期和通過(guò)菊花鏈的數據傳播。并非所有SPI器件都支持菊花鏈模式。請參閱產(chǎn)品數據手冊以確認菊花鏈是否可用。
圖8. 菊花鏈配置：數據傳播 支持 SPI 接口的模擬開(kāi)關(guān)與多路轉換器 ADI公司最新一代支持SPI的開(kāi)關(guān)可在不影響精密開(kāi)關(guān)性能的情況下顯著(zhù)節省空間。本文的這一部分將討論一個(gè)案例研究，說(shuō)明支持SPI的開(kāi)關(guān)或多路復用器如何能夠大大簡(jiǎn)化系統級設計并減少所需的GPIO數量。 ADG1412是一款四通道、單刀單擲(SPST)開(kāi)關(guān)，需要四個(gè)GPIO連接到每個(gè)開(kāi)關(guān)的控制輸入。圖9顯示了微控制器和一個(gè)ADG1412之間的連接。
圖9. 微控制器GPIO用作開(kāi)關(guān)的控制信號 隨著(zhù)電路板上開(kāi)關(guān)數量的增加，所需GPIO的數量也會(huì )顯著(zhù)增加。例如，當設計一個(gè)測試儀器系統時(shí)，會(huì )使用大量開(kāi)關(guān)來(lái)增加系統中的通道數。在4×4交叉點(diǎn)矩陣配置中，使用四個(gè)ADG1412。此系統需要16個(gè)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(gè)GPIO連接四個(gè)ADG1412。
圖10. 在多從機配置中，所需GPIO的數量大幅增加 如何減少 GPIO 數量？ 一種方法是使用串行轉并行轉換器，如圖11所示。該器件輸出的并行信號可連接到開(kāi)關(guān)控制輸入，器件可通過(guò)串行接口SPI配置。此方法的缺點(diǎn)是外加器件會(huì )導致物料清單增加。
圖11. 使用串行轉并行轉換器的多從機開(kāi)關(guān) 另一種方法是使用SPI控制的開(kāi)關(guān)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可減少所需GPIO的數量，并且還能消除外加串行轉并行轉換器的開(kāi)銷(xiāo)。如圖12所示，不需要16個(gè)微控制器GPIO，只需要7個(gè)微控制器GPIO就可以向4個(gè)ADGS1412提供SPI信號。開(kāi)關(guān)可采用菊花鏈配置，以進(jìn)一步優(yōu)化GPIO數量。在菊花鏈配置中，無(wú)論系統使用多少開(kāi)關(guān)，都只使用主機（微控制器）的四個(gè)GPIO。
圖12. 支持SPI的開(kāi)關(guān)節省微控制器GPIO 圖13用于說(shuō)明目的。ADGS1412數據手冊建議在SDO引腳上使用一個(gè)上拉電阻。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，此示例使用了四個(gè)開(kāi)關(guān)。隨著(zhù)系統中開(kāi)關(guān)數量的增加，電路板簡(jiǎn)單和節省空間的優(yōu)點(diǎn)很重要。
圖13. 菊花鏈配置的SPI開(kāi)關(guān)可進(jìn)一步優(yōu)化GPIO 在6層電路板上放置8個(gè)四通道SPST開(kāi)關(guān)，采用4×8交叉點(diǎn)配置時(shí)，ADI 公司支持 SPI 的開(kāi)關(guān)可節省20%的總電路板空間。 |
