基于单片机SPI器件的串口控制

摘要：集成电路设计越来越向系统级的方向发展，并且越来越强调模块化的设计。SPI总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口，容许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息。在此简述了SPI总线的特点，介绍了它的四条信号线及SPI串行总线接口的典型应用。重点描述SPI串行总线接口在DA芯片中的应用，并给出用C语言描述实现该接口通信的部分程序。该程序已经在AT89C2051中进行验证。
关键词：SPI；串口控制；AD7390；单片机

0 引 言
    串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)是一种高速同步串行输入／输出端口，近年来广泛应用于移位寄存器、D／A转换器、A／D转换器、串行E2PROM、LED显示驱动器等外部设备的扩展。SPI接口可以共享，便于组成带多个SPI接口器件的系统。其传送速率可编程，连接线少，具有良好的扩展性。

1 SPI接口介绍
    SPI是摩托罗拉公司推出的一种同步串行通信接口，用于微处理器、微控制器和外围扩展芯片之间的串行连接，现已发展成为一种工业标准。目前，各半导体公司推出了大量的带有SPI接口的具有各种各样功能的芯片，如RAM，E2PROM，FLASH ROM，A／D转换器、D／A转换器、LED&LCD显示驱动器、I／0接口芯片、实时时钟、UART收发器等，为用户的外围扩展提供了极其灵活而价廉的选择。由于SPI总线接口只占用微处理器四个I／O口线，故采用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。目前，已有部分厂家的单片机具有SPI接口，如Philips的P89LPC900，Atmel的Atmega128等，但是，大部分单片机不支持SPI接口。在实际应用中，出于产品体积、成本和可扩展性等方面的考虑，设计人员往往希望使用不具备SPI接口的单片机来控制具备SPI接口的外围器件。现以AT89C2051单片机模拟SPI总线操作串行AD7390为例，如图1所示，介绍利用单片机的I／O口通过软件模拟SPI总线的实现方法。

    SPI使用的四条线是串行时钟线(SCK)、主机输入从机输出线(MISO)、主机输出从机输入线(MOSI)、低电平有效的使能信号线(CS)。这样，仅需3～4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I／O器件。
    SPI 总线具有以下特点：
    (1)因连线较少，可简化电路设计。并行总线扩展方法通常需要8根数据线、8～16根地址线、2～3根控制线。而SPI总线设计，仅需4根数据线和控制线即可完成并行扩展所实现的功能。
    (2)器件统一编址，并与系统地址无关，操作SPI独立性好。
    (3)器件操作遵循统一的规范．使系统软硬件具有良好的通用性。

2 AD7390的基本结构和工作原理
    AD7390是ADl公司生产的12位分辨率电压输出数／模转换器。该DAC为用户提供低成本、高精度的可控电压解决方案，使用单电源+3V系统供电。器件保证电源电压为2．7～5．5V时消耗不到100mA的电流，所以该器件适用于一些对功效要求高的设备，比如电池供电系统。输出电压取决于外部参考输入电压。DACOUT输出介于REFIN与地之间的任意值，其内部框图如图2所示。

    内部双缓冲串行数据接口提供高速转换，微控制器通过三线SPI控制器件、串行数据(SDI)、时钟(CLK)和使能(LD)引脚。此外，使用CLR输入可以对输出清零。操作时序如图3所示。

3 AD7390的串口控制
    电脑通过RS 232向MCU发送控制信号，再由MCU控制AD7390，完成整个设置过程。通过串口控制AD7390的软件流程如图4所示。一旦有数据写入单片机，则单片机将重新设置AD7390。

    单片机程序分为三大模块，分别是SPI控制模块、串口接收模块和操作信息反馈模块。
    SPI控制模块产生CLK，LD，并在CLK的上升沿到来之前，保证SDI数据的稳定，以便AD7390准确地采集到数据。CLK时钟的频率根据器件的典型延迟决定，不同器件有不同的延迟，所以它决定了不同器件的时钟应该不一样。
    串口接收模块完成从电脑接收数据并保存数据。由一片MAX 232完成RS 232电平与TTL电平之间的转换。因为传输的是连续性数据，因此在接收程序的编写时，要注意中断申请的屏蔽，才能准确地接收到全部数据。
    在利用串口调试助手调试时，留意发送数据的格式，是否以16进制发送，会影响接收到的数据。比如，发送字母“E”，如果以16进制发送。发送的实际数据是“15”，而接收到的数据是“15”的ASCII码“49”、“53”；如果不以16进制发送，则发送的是字母“E”的ASCII码“69’。由此可以看出它们之间的差别。因此在接收方要得到想要的数据，则需要进行转换。该转换可参看后面的程序。
    操作信息反馈模块完成操作结果的可视化输出，通过内部计算，输出设置的电压值，这为调试过程提供了很大的便利。
    AD7390为12位数／模转换器。该器件接收16位数据，数据格式如图5所示，取低12位作为有效数据，自动舍弃高4位。因为单片机传输数据以字节(8 b)为单位，所以采用16位传输模式。

    部分程序代码如下：