三防平板電腦串行外圍設(shè)備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口，目前許多公司生產(chǎn)的MCU和MPU都配有SPI總線接口。例如，基于ARM9的S3C2440微處理器配備了兩個(gè)SPI總線接口，既可以作為主SPI使用，也可以作為從SPI使用。SPI總線可用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通信。SPI總線可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)，它只需四條線就可以完成 MCU 與各種外圍器件的通信，這四條線分別是串行時(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）、低電平有效的從機(jī)選擇線?？膳cSPI通信的常用的外圍器件有LCD顯示驅(qū)動器、集成A/D和D/A芯片、智能傳感器等。SPI總線接口主要特點(diǎn)如下：

● 可以同時(shí)發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)；

● 可以作為主機(jī)或從機(jī)工作；

● 提供頻率可編程時(shí)鐘；

● 發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志；

● 寫沖突保護(hù)；

● 總線競爭保護(hù)等。

2．工作原理與接口方式

三防平板電腦當(dāng)SPI工作時(shí)，在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器（高位在前）。發(fā)送一個(gè)字節(jié)后，從另一個(gè)外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。主SPI設(shè)備的時(shí)鐘信號（SCK）使傳輸同步，在時(shí)鐘信號的作用下，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)還可以接收對方發(fā)來的數(shù)據(jù)，也可以采用只發(fā)送數(shù)據(jù)或者只接收數(shù)據(jù)的方式，其通信速率可以達(dá)到20 Mbps 以上。SPI 設(shè)備系統(tǒng)連接如圖1所示。

圖1 SPI設(shè)備系統(tǒng)連接圖

SPI總線有四種工作方式，其時(shí)序如圖6-24所示，其中使用最為廣泛的是SPI0和SPI3方式。

圖2 SPI總線四種工作方式時(shí)序圖

三防平板電腦為了與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)設(shè)備工作要求，可以對SPI模塊輸出的串行同步時(shí)鐘極性和相位進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有太大的影響，如果CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果 CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置，用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣，SPI 主模塊和與之通信的外設(shè)的時(shí)鐘相位和時(shí)鐘極性應(yīng)該一致。SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖6-25所示。

圖3 SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

圖4 SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序（續(xù)）

3．三防平板電腦基于SPI總線的串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543及應(yīng)用

TLC2543是TI公司生產(chǎn)的12位串行開關(guān)電容型逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，具有以下特點(diǎn)。

● 12位分辨率，在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 μs；

● 11個(gè)模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測試方式；

● 采樣率為66 kbps，線性誤差為+1LSB；

● 轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOC）輸出，具有單、雙極性輸出；

● 輸出數(shù)據(jù)長度可編程，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用CMOS技術(shù)。

TLC2543的引腳分布如圖6-26所示，引腳功能如下。

圖5 TLC2543的引腳排分布

● AIN0～AIN10：模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇。對于大于4.1 MHz 的 I/O CLOCK，驅(qū)動源阻抗必須小于或等于50 Ω。

● ：片選端，由高到低時(shí)將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并且控制DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK信號。由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止 DATA INPUT 和I/O CLOCK信號。

● DATA INPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以MSB為前導(dǎo)并在I/O CLOCK的前4個(gè)上升沿移入4位地址，用來選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號或測試電壓。之后，I/O CLOCK將余下的幾位依次輸入。

● DATA OUT：A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端，在為高電平時(shí)，該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)為低電平時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB值置換成相應(yīng)的邏輯電平。

● EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。

● VCC、GND：電源正端、地。

● REF+、REF-：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端，通常REF+接VCC，REF-接GND，最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差。

● I/O CLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。

（1）三防平板電腦TLC2543的工作原理。每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸可以使用12或16個(gè)時(shí)鐘周期得到全12位分辨率，也可以選擇使用8個(gè)時(shí)鐘周期得到8位分辨率。

一個(gè)片選脈沖要插到每次轉(zhuǎn)換的開始處，或者在轉(zhuǎn)換時(shí)序的開始時(shí)變化一次后保持為低，直到時(shí)序結(jié)束。圖6所示為使用16個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)，在每次傳遞周期之間插入的時(shí)序，即進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換就操作一次。

圖6 在每次傳遞周期之間插入時(shí)序

圖7所示為使用16個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換和傳遞數(shù)據(jù)，僅在每次轉(zhuǎn)換序列開始處插入一次時(shí)序，即連續(xù)進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換才操作一次。

從圖7中可以看出，三防平板電腦在TLC2543的變低時(shí)開始轉(zhuǎn)換和傳送數(shù)據(jù)，CPU將通道選擇、數(shù)據(jù)長度選擇、前導(dǎo)選擇、單雙極性選擇的控制信息送入 DATA INPUT 引腳的同時(shí)，還從DATA OUT引腳讀出A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。因此，本次讀出的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是上一次操作TLC2543所選擇的通道對應(yīng)的數(shù)據(jù)。通道選擇、數(shù)據(jù)長度選擇、前導(dǎo)選擇、單雙極性選擇這四項(xiàng)的設(shè)置數(shù)據(jù)共8位，I/O CLOCK的前8個(gè)上升沿將這8位的工作模式設(shè)置數(shù)據(jù)從DATA INPUT輸入數(shù)據(jù)寄存器。三防平板電腦如果工作在12或16個(gè)時(shí)鐘周期模式，則后4位或8位的DATA INPUT數(shù)據(jù)沒意義，可為任意值，這4或8位只是為了補(bǔ)齊12或16個(gè)時(shí)鐘，使12位的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果同步輸出。使用16個(gè)時(shí)鐘時(shí)，讀出的A/D數(shù)據(jù)為16位，因?yàn)橛行?shù)據(jù)只有12位，所以應(yīng)根據(jù)程序屏蔽高或低4位。

三防平板電腦在I/O CLOCK上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生變化，即I/O CLOCK低電平時(shí)將要寫入DATA INPUT的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好；當(dāng)I/O CLOCK高電平時(shí)，讀出DATA OUT的數(shù)據(jù)。

當(dāng)為高時(shí)I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT為高阻狀態(tài)不能操作。

（2）三防平板電腦TLC2543電路連接圖。AT89S52單片機(jī)使用I/O口模擬SPI的方式連接TLC2543，其中TLC2543的片選接到P1.7引腳，串行時(shí)鐘輸入端I/O CLOCK接到P1.4引腳，串行數(shù)據(jù)輸入端DATA INPUT接到P1.5引腳，串行數(shù)據(jù)輸出端DATA OUT接到P1.6引腳，轉(zhuǎn)換結(jié)束端EOC接到P1.3引腳，TLC2543與單片機(jī)的接口電路如圖6-29所示，TLC2543的電壓基準(zhǔn)為5 V，因此TLC2543的量程最大為5 V。

圖8 TLC2543與單片機(jī)的接口電路

（3）C語言應(yīng)用程序。用C語言編寫的TLC2543應(yīng)用程序如下。