SPI( Serial Peripheral Interface) 總線是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口, 允許MCU與各種外圍器件以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換。SPI可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù), 它只需4條線就可以完成MCU與各種外圍器件的通信。一般使用的4條線為：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MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SSEL。這些外圍器件可以是簡單的TTL移位寄存器、復(fù)雜的LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、Flash、RAM、A/D轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)控制器及其他MCU等^[1]。
    本文給出了一種基于SPI總線的LPC2103控制外圍LED顯示的設(shè)計(jì)方法。利用74HC595驅(qū)動(dòng)靜態(tài)共陽LED數(shù)碼管，使用串轉(zhuǎn)并的方式實(shí)現(xiàn)I/O口的擴(kuò)展。
1 LPC2103中的SPI功能特性
    LPC2103是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，內(nèi)部具有2個(gè)完全獨(dú)立的SPI控制器，采用全雙工的數(shù)據(jù)通信方式，最大數(shù)據(jù)位速率為外設(shè)時(shí)鐘Fpclk的1/8。與SPI總線接口有關(guān)的專用寄存器有：(1)SPCR控制寄存器。該寄存器包含一些可編程位來控制SPI總線的功能，而且在數(shù)據(jù)傳輸之前進(jìn)行設(shè)定，主要有時(shí)鐘相位控制、時(shí)鐘極性控制、主從模式選擇、字節(jié)傳輸移動(dòng)方向及SPI中斷使能；(2)SPSR狀態(tài)寄存器(為只讀寄存器)。用于監(jiān)視SPI功能模塊的狀態(tài)，包括一般性功能和異常情況。主要用途是檢測數(shù)據(jù)傳輸是否完成，通過判斷SPIF位來實(shí)現(xiàn)，其他位用于指示異常情況；(3)SPDR數(shù)據(jù)寄存器。為SPI提供數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，處于主模式時(shí)，向該寄存器寫入數(shù)據(jù)，將啟動(dòng)SPI數(shù)據(jù)傳輸。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通過內(nèi)部移位寄存器來實(shí)現(xiàn)；(4)SPCCR時(shí)鐘計(jì)數(shù)器寄存器。用于設(shè)置SPI時(shí)鐘分頻值，SPI處于主模式時(shí)，該寄存器用于控制時(shí)鐘速率，即SPI總線速率，寄存器值為1位SCK時(shí)鐘所占用的PCLK周期數(shù)，并且值為偶數(shù)，必須不小于8；(5)SPINT中斷標(biāo)志寄存器。包含了SPI的中斷標(biāo)志位，由數(shù)據(jù)傳輸完成及發(fā)生模式錯(cuò)誤來引發(fā)^[2]。
1.1 SPI電氣連接
    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)用場合, 可使用1個(gè)MCU 作為主機(jī)來控制數(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)。同一時(shí)刻只允許有1個(gè)主機(jī)操作總線。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，總線上只能有1個(gè)主機(jī)和1個(gè)從機(jī)通信。在一次數(shù)據(jù)傳輸中，主機(jī)總是向從機(jī)發(fā)送1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，而從機(jī)也總是向主機(jī)發(fā)送1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)^[3]。圖1為SPI在主模式下控制2個(gè)SPI從機(jī)的硬件連接圖。

1.2 SPI數(shù)據(jù)傳輸
    在SPI數(shù)據(jù)傳輸中，SPCR控制寄存器的CPHA和CPOL位作用非常關(guān)鍵。CPHA為時(shí)鐘相位控制，該位決定SPI傳輸時(shí)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的關(guān)系，并控制從機(jī)傳輸?shù)钠鹗己徒Y(jié)束，該位為1，時(shí)鐘前沿?cái)?shù)據(jù)輸出，后沿?cái)?shù)據(jù)采樣；為0，時(shí)鐘前沿?cái)?shù)據(jù)采樣，后沿?cái)?shù)據(jù)輸出。CPOL為時(shí)鐘極性控制，為1時(shí)，SCK為低電平有效；為0時(shí)，SCK為高電平有效^[4]。[!--empirenews.page--]
    圖2為SPI的4種不同數(shù)據(jù)傳輸格式時(shí)序，描述的是8位數(shù)據(jù)傳輸。該時(shí)序圖水平方向分成3部分：(1)描述SCK和SSEL信號；(2)描述CPHA為0時(shí)的MOSI和MISO信號；(3)描述CPHA為1時(shí)的MOSI和MISO信號。SSEL信號為低電平，說明SPI工作在從模式。其中，MOSI和MISO信號中的bit1～bit8表示傳輸?shù)牡趲孜粩?shù)據(jù)。

2 74HC595擴(kuò)展I/O接口電路
    SPI是一個(gè)串行輸入輸出的接口，使用串轉(zhuǎn)并的接口芯片可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展I/O口。74HC595芯片為一種常用的8位串轉(zhuǎn)并移位寄存器芯片，本系統(tǒng)利用74HC595來驅(qū)動(dòng)靜態(tài)共陽LED數(shù)碼管。74HC595的主要優(yōu)點(diǎn)：具有數(shù)據(jù)存儲寄存器，在移位過程中，輸出端的數(shù)據(jù)可以保持不變。這在串行速度慢的場合很有用處，數(shù)碼管沒有閃爍感。LPC2103工作在SPI主模式下。
    圖3為74HC595邏輯圖。圖中，SI為串行數(shù)據(jù)輸入引腳，用來連接LPC2103的MOSI功能引腳；SCK為移位寄存器的時(shí)鐘輸入，連接LPC2103串行時(shí)鐘線SCK；為清移位寄存器引腳；RCK為鎖寄存器鎖存時(shí)鐘引腳；即輸出觸發(fā)端與SSEL連接；為輸出使能引腳；SQ_H為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，連接MISO；Q_A～Q_H引腳為并行輸出。當(dāng)為高電平、使能接低時(shí)，SCK產(chǎn)生一個(gè)上升沿，SI引腳當(dāng)前電平值將在移位寄存器中左移1位，在下一個(gè)上升沿到來時(shí)移位寄存器中的所有位都會(huì)向左移1位，同時(shí)SQ_H引腳也會(huì)串行輸出移位寄存器中的高位的值。當(dāng)RCK產(chǎn)生上升沿時(shí)，移位寄存器的值將會(huì)被鎖存到鎖存器里，并從Q_A～Q_H引腳輸出。

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    圖4為SPI接口與74HC595的連接原理圖。其中Q_A～Q_H分別連接共陽LED數(shù)碼管的8個(gè)段。在SPI輸出1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，SSEL產(chǎn)生1個(gè)低電平，SPI主機(jī)串行地發(fā)該字節(jié)的各個(gè)位，各個(gè)位都依次被鎖存在74HC595的移位寄存器內(nèi)，當(dāng)1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸完成后，SSEL由低電平變?yōu)楦唠娖?，從而?4HC595的移位寄存器的值被鎖存到74HC595的鎖存器并從其Q_A～Q_H引腳輸出；在SPI輸出1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的同時(shí)，74HC595移位寄存器之前的值也通過MISO引腳被SPI主機(jī)讀回。

3  軟件設(shè)計(jì)^[5]
    軟件設(shè)計(jì)包括：進(jìn)行I/O口初始化，設(shè)置SPI引腳連接，啟用LPC2103的SPI 0總線，設(shè)置GPIO的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7為SPI 0總線的SCK0、MISO0、MOSI0、SSEL0特殊功能，置74HC595片選端的I/O口為輸出功能。其代碼如下：
    PINSEL0=0x00005500;  //設(shè)置SPI引腳連接
    PINSEL1=0x00000000;
    IODIR=HC595_CS;  //設(shè)置片選端I/O口為輸出
3.1 SPI總線操作初始化
    圖5為SPI總線操作流程圖。使用LPC2103的SPI總線主模式下實(shí)現(xiàn)對74HC595的數(shù)據(jù)傳輸，用來驅(qū)動(dòng)外圍LED數(shù)碼管。設(shè)置SPI時(shí)鐘，在SPI主模式下，SPCCR寄存器控制SCK的頻率，SPI速率為Fpclk / SPCCR。通過SPCR控制寄存器設(shè)置時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性、主模式控制、字節(jié)移動(dòng)方向及SPI中斷使能等。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

    Void MSpiIni(void)
    {  SPI_SPCCR = 0x52;  //設(shè)置SPI時(shí)鐘分頻
       SPI_SPCR  = (0<<3)|  //CPHA=0,數(shù)據(jù)再從SCK的第一時(shí)鐘沿采樣
               (1<<4)|   //CPOL=1,SCK為低有效
               (1<<5)|   //MSTR=1,SPI處于主模式
               (0<<6)|   //LSBF=0，SPI數(shù)據(jù)傳輸MSB(位7)在先
               (0<<7);   //SPIE=0，SPI中斷被禁止
    }
3.2 SPI總線主模式下數(shù)據(jù)發(fā)送過程
    首先選擇從機(jī)，設(shè)置片選。選擇74HC595為從機(jī)，置片選端SSEL為低有效。將發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SPDR，發(fā)送出去。等待SPIF置位，即數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。最后可從SPDR讀取收到的數(shù)據(jù)。以下為發(fā)送函數(shù)：
    uint8 MSendData(uint8 data)
    {    IOCLR=HC595_CS;   //片選端，由LPC2103指定的I/O口置位
         SPI_SPDR=data;
         while(0==(SPI_SPSR&0x80));    //等待SPIF置位，即等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
         IOSET=HC595_CS;  //片選置高無效，結(jié)束發(fā)送
         return(SPI_SPDR);   //返回接收到的數(shù)據(jù)
    }
3.3 控制LED數(shù)碼管主函數(shù)
    主函數(shù)使用LPC2103的SPI接口輸出給74HC595，用來控制LED數(shù)碼管顯示。DISP_TAB[ ]為LED顯示0-F字模的16進(jìn)制碼表。MSendData( )實(shí)現(xiàn)每一字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送。
    #define   HC595_CS    0x00000100         //P0.8口為74HC595的片選
    uint8 const DISP_TAB[16]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E};
    int main(void)
    {   uint8 rcv_data;
    uint8 i;
    PINSEL0=0x00005500;     //設(shè)置SPI引腳連接
    PINSEL1=0x00000000;
    IODIR=HC595_CS;             //設(shè)置LPC2103片選I/O口為輸出功能
    MSpiIni( );                          //初始化SPI接口
    while(1)
    { for (i=0;i<16;i++)
         {rcv_data=MSendData(DISP_TAB[i]);   //發(fā)送顯示數(shù)據(jù)
          DelayNS(50);                      //延時(shí)
　       }
    }
       return(0);
　}
    基于SPI總線的數(shù)據(jù)通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在MCU與各種外圍設(shè)備的串行通信中。如存儲系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制器和多MCU構(gòu)成的分布式系統(tǒng)。本文給出了74HC595芯片驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示的電路，采用SPI總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對LED顯示的數(shù)據(jù)傳輸，方便快捷、準(zhǔn)確性高、速度快，滿足了復(fù)雜微控制系統(tǒng)對外圍設(shè)備控制的要求。