ARM与射频芯片TRF796x的SPI通信研究

摘要：针对SPI总线接口缺乏标准协议的特点，提出了SPI器件之间通信的一般方法。论文阐述了ARM芯片内置SPI硬件控制器的工作原理和时序，并对射频芯片TRF7960x的工作模式与读写要求进行了分析。在此基础上，根据TRF796x的时序特性和访问要求，采用ARM芯片的硬件 SPI方式实现对TRF796x的读写访问与控制，并在RFID门禁系统中验证了通信结果。
关键词：SPI；ARM；TRF796x；时序

引言
    SPI(同步串行外围接口)是由Motorola公司最早提出的，出现在其M68系列单片机中。它是一种全双工的同步串行接口，采用主一从模式架构，支持多Slave模式应用，但一般仅支持单Master。由于其简单实用，又不牵涉到专利问题，因此许多厂家的设备都支持该接口，被广泛应用于外设控制领域。 SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola公司的SPI接口定义来设计的。正因为没有确切的标准协议，不同厂家的 SPI器件接口在技术上存在着一定的差异，有的甚至无法直接互连。本文对SPI器件通信时容易忽略的问题进行了分析。

1 S3C2440A内置SPI接口与工作时序
    S3C2440A是Samsung公司生产的ARM9内核芯片，该芯片内置了2个SPI硬件控制器，大大简化了与SPI器件的通信。从 Samsung公司提供的Datasheet中可以看出，其内置硬件SPI结构主要由4部分构成：时钟分频器、8位发送移位寄存器、8位接收移位寄存器、控制逻辑等。其与SPI接口相关的寄存器包括控制寄存器(SPCONn)、状态寄存器(SPSTAn)、引脚控制寄存器(SPPINn)、预分频寄存器 (SPPREn)、发送数据寄存器(SPTDATn)、接收数据寄存器(SPRDATn，n=0，1)。其SPI接口共有4根信号线，分别是从设备选择线(SS)、时钟线(SCK)、串行输出数据线(MO-SI)、串行输入数据线(MISO)。当S3C2440A作为Master时，SS信号由S3C2440A驱动输出，用于选择激活某从 SPI器件，只有当SS信号线为低电平时，对应Slave设备的SPI接口才处于工作状态。为了满足不同SPI器件的通信特性，S3C2440A内置的 SPI接口定义了4种数据传输的工作时序，这4种时序是由控制寄存器(SPCONn)的时钟极性控制位(CPOL)和时钟相位控制位(CPHA)联合进行配置的。从表1可以看出，SPI的工作时序主要是根据数据采样的时刻(上升沿或下降沿)，以及在没有数据传输时SCK信号所保持的状态来划分模式的。


    根据CPOL和CPHA设置的不同，S3C2440A内置SPI接口的4种工作时序如图1所示。需要注意的是，SPI通信的数据传输是以字节为单位进行的，且高位在前，低位在后，图1中的*LSB表示上一个传输字节的最低位，MSB*是指下一个传输字节的最高位。

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2 射频芯片TRF796x
    TRF796x是德州仪器(TI)公司生产的射频读写器芯片，是一个13．56 MHz集成模拟前端和数据帧RFID阅读系统。其内部可编程配置，外部控制器可直接访问其内部寄存器来调整读写器的各种参数，该芯片被广泛应用于近距离RFID系统。
    TRF796x芯片与处理器之间的通信既可以通过8位并行口也可以通过SPI接口。当采用SPI接口时，TRF796x芯片总是以从设备运行。如果内部的硬件编／解码器被使用，TRF796x将启动12个字节的数据缓冲器FIFO来完成数据的传送和接收。有时候为了使处理器(如MCU)能实时的处理数据，TRF796x会旁路掉硬件编／解码器，采用直接传送和接收功能。TRF796x芯片的两种通信模式是相互排斥的，在应用中的某个时刻只能有一种通信方式被使用。表2中列出了TRF796x的通信方式，可以看出，要实现其SPI通信就必须先对引脚I／00～I／O2配置成不同的电平。当芯片被使能工作时就会检测这3个引脚的电平，从而进入相应的通信方式。


    当选择了SPI带SS通信方式，SS信号为高时SPI处于复位状态。只有SS信号为低时，时钟信号才开始工作，串行数据输入(MOSI)在上升沿采样，在下降沿确认生效，当SS信号变为高电平时，通信终止。TRF796x的写操作通信如图2所示。


    TRF796x的单个寄存器读操作包括一个写周期和一个读周期，在写周期过程中，MISO引脚上是无效的数据，其时序与写操作相同，也是上升沿采样，下降沿确认生效。在写周期和读周期之间，需要有半个时钟周期的极性转换时间。注意：对于任何读操作(单个读、连续读)来说，该时钟极性跳变必须被执行，否则不能够读到TRF796x寄存器的正确值。在读周期过程中，数据在下降沿采样，上升沿时确认生效，而MOSI引脚不应该有任何的跳变，就是说要始终保持高电平或低电平(即0x00或0xFF)。图3是TRF796x的读操作时序。


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3 ARM与TRF796x通信的实现
    S3C2440A的SPI接口传输方式有查询、中断、DMA三种，由于TRF796x有专门的IRQ中断引脚，所以本文选择ARM芯片 SPI接口的查询方式。S3C2440A作为Master，时钟频率通过SPPREn寄存器设置，其频率f=PCLK／[2(SPPREn的值+1)]，f≤25 MHz。控制寄存器SPCONn应该根据具体的通信要求来设置。
    对TRF796x的访问需要区分是写地址还是写命令，字节的最高位(MSB)决定了该指令是用于命令还是地址。具体的地址／命令字节位描述如表3所列。


    从表3可以看出，如果是单个写寄存器操作，则发送字节最高3位为000；如果是连续写寄存器操作，则最高3位001；如果是读单个寄存器操作，则最高3位010；如果是写命令，则最高3位100；其他操作不再详述。
    本文采用S3C2440A的SPI0接口与TRF796x通信，其连接图如图4所示。从I／O_0～I／O_2的引脚电平可以看出选择的是SPI带SS通信方式。其中，EN脚是TRF796x的工作使能引脚，I／O_4是SS脚。当SS置为低且查询到状态寄存器SPSTA0的最低位为1(说明SPI发送接收准备好)，待发送的数据一旦写入到发送移位寄存器SPTDAT0中，SPI通信的发送和接收就会同时开始，一般是上升沿发送，下降沿接收。如果只想发送不想接收数据，可以不读取接收寄存器的内容；值得注意的是，如果只想接收数据，应该写数据0xFF或0x00到发送移位寄存器，然后才能从接收移位寄存器中读取数据。


    下面通过非连续寄存器读操作来具体说明ARM与TRF796x是如何进行SPI通信的。图5是对TRF796x的非连续寄存器读操作的流程。


    整个读操作流程是：
    ①初始化操作，置EN脚为高电平使能TRF796x工作，将GPE11～GPE13配置成SPI功能，配置S3C2440A作为Master，且选择查询工作方式，写SPPREN0寄存器来配置通信时钟频率。[!--empirenews.page--]
    ②写地址，从图1和图3的时序可以看出，要读TRF796x的寄存器值，必须包含一个写地址周期和一个读数据周期。在写TRF796x的地址之前，必须先设置SPCON0的CPOL和CPHA都为O，这样通信双方的时序才能保持一致，而且要将地址字节的最高3位设为010，然后将地址字节写入发送移位寄存器SPTDAT0中，一旦地址字节发送完，TRF796x就会把相应地址的内容送到MISO脚上。
    ③读数据，在地址字节写入后，读数据之前，必须转换SCK的时钟极性，从图1可以看出，需要设置CPOL为0，CPHA为1，这样就满足了TRF796x的读时序要求。写数据0x00或0xFF到SPTDAT0中，接着就可以从SPRDAT0中读取数据。
    非连续读操作的实现代码如下：


    为了验证上述的程序，在按照图4连接电路后，可以选择读取TRF7960的09h、0Ah、0Bh寄存器单元的内容，这3个寄存器在系统上电时，分别默认内容为0x11、0x40、0x87。定义一个数组 Operation[O]=0x09；Operation[1]=0x0A；Operation[2]=0x0B；调用函数 SingleRead(Operation，3)；即可得到3个寄存器的内容并存放在Operation数组中。在RFID门禁系统的开发中，就是采用了这种SPI通信方式实现了ARM对RFID阅读器芯片的访问控制。

结语
    本文通过介绍ARM芯片与TRF796x之间的硬件SPI通信方式，说明了在进行SPI器件之间通信时应该注意的问题，强调工作时序在通信时的重要性，最后给出的程序在RFID门禁系统中得到了运用。论文研究对ARM与其他SPI器件之间的通信有一定的参考意义，只要根据SPI器件的工作时序进行稍加修改就能融会贯通。