李強(qiáng),潘啟軍
(1.韶關(guān)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,韶關(guān)512000;2.韶關(guān)光柵測量控制技術(shù)研究所)
51系列單片機(jī)資源有限,當(dāng)開發(fā)者面對比較復(fù)雜的控制任務(wù)時(shí),51單片機(jī)就力不從心了。在這種情況下,用戶可以選用比較高檔的單片機(jī)機(jī)型,比如ARM系列32位單片機(jī)等來完成目標(biāo)控制的任務(wù)。還有一種選擇方案,就是采用51單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)方案,用分散控制的方法來實(shí)現(xiàn)最終的復(fù)雜目標(biāo)控制任務(wù)。
在多機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中,首先要解決的就是多機(jī)之間的相互通信連接問題,以保證數(shù)據(jù)在單片機(jī)之間的高效、可靠的傳遞。MCU之間的通信功能是多機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),也是多機(jī)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。
SPI接口最大可以提供1Mb的串行數(shù)據(jù)傳輸能力。理論上,比傳統(tǒng)的串行通信接口RS232通信速率高得多,因此它非常適合多CPU系統(tǒng)中的CPU之間的數(shù)據(jù)交換,絕大多數(shù)情況下,能夠滿足通信需求。
與RS232不同的是,SPI采用的是移位寄存器方式實(shí)現(xiàn)串行通信的,SPI工作方式如圖1所示。
圖1 SPI工作方式
圖1中,MOSI(Master Out and Slaver In)和 MISO(Master In and Slaver Out)為SPI接口的通信引腳。從引腳定義可以看出,無論是數(shù)據(jù)發(fā)送,還是數(shù)據(jù)接收,SPI通信過程始終應(yīng)當(dāng)是由主機(jī)Master控制。主從機(jī)之間的物理連接是同名端直接連接。
其工作過程是:主機(jī)對SPI接口的寫數(shù)據(jù)操作完成后,SPI啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送,數(shù)據(jù)就從主機(jī)的MOSI引腳移位輸出,按位移位到從機(jī)中;一個(gè)字節(jié)傳輸完畢后,SPI接口傳輸標(biāo)志置位,供軟件開發(fā)者測試控制編程。由于每位數(shù)據(jù)傳輸最快只需要一個(gè)機(jī)器周期,故其通信速率很快。
這種通信方式,決定了SPI只能夠?qū)崿F(xiàn)近距通信,通常通信距離為數(shù)十公分,不超過1m,而且SPI的通信雙方對通信過程的控制能力比較弱,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要保證通信可靠性,必須采用固定主從、連續(xù)收發(fā)的工作模式。
而UART方式對通信過程的控制能力較強(qiáng),可以是互為主從、隨機(jī)收發(fā)的工作模式。由于這個(gè)區(qū)別,決定了SPI的通信編程與傳統(tǒng)的RS232有本質(zhì)的區(qū)別。在編程中,應(yīng)當(dāng)明確地定義系統(tǒng)中誰是主機(jī),誰是從機(jī),在系統(tǒng)工作過程中,不得變更。并且,所有的通信過程,都是由主機(jī)發(fā)動(dòng)。否則,很難保證通信的可靠性。
采用的單片機(jī)是NXP公司的P89V51RD2,其內(nèi)部集成有大容量的存儲(chǔ)器(64KB Flash、1KB RAM),除此之外,還集成有3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器、UART、PCA、WDT等豐富的接口。它是一款性價(jià)比較高的51單片機(jī),為復(fù)雜的目標(biāo)控制提供了物理支持。
其內(nèi)部也集成了SPI通信接口,由于SPI每位數(shù)據(jù)傳輸最快只需要一個(gè)機(jī)器周期,如果單片機(jī)系統(tǒng)采用12MHz晶振,則傳輸1位數(shù)據(jù),最短只需要1μs。而采用支持RS232標(biāo)準(zhǔn)的UART接口,若以最高9 600bps波特率通信,傳輸1位數(shù)據(jù)需要104μs。SPI快速的數(shù)據(jù)傳輸能力,為用戶編制復(fù)雜的通信協(xié)議提供了支持。
SPI通信雖然傳輸速率高,但由于其有主機(jī)、從機(jī)角色固定,連續(xù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),無法滿足大多數(shù)用戶的通信要求。比如,SPI通信只能由主機(jī)單向發(fā)動(dòng),用戶怎么能夠?qū)崿F(xiàn)主從雙方的數(shù)據(jù)雙向傳輸呢?再如,SPI通信工作過程是連續(xù)的,通信雙方又怎樣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)收發(fā)呢?SPI接口僅提供了一種基本的通信機(jī)制,用戶無法直接使用。用戶要使用SPI接口實(shí)現(xiàn)兩機(jī)數(shù)據(jù)的隨機(jī)雙向交換,就必須編制通信協(xié)議。SPI雙機(jī)電氣連接圖如圖2所示。
圖2 SPI雙機(jī)電氣連接圖
綜上所述,SPI基本通信協(xié)議構(gòu)造的目的就是要滿足通信雙方雙向數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)隨機(jī)收發(fā)的要求。
圖2中,筆者設(shè)計(jì)的基本協(xié)議如下:SPI的工作模式是主機(jī)用PCA定時(shí)器進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)、收,從機(jī)用串行中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)收、發(fā)。建立收發(fā)數(shù)據(jù)包,每個(gè)數(shù)據(jù)包8個(gè)字節(jié),主從機(jī)均建立一個(gè)8個(gè)字節(jié)的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(spi_send_buf[8])和一個(gè)8個(gè)字節(jié)的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(spi_recv_buf[8]),并建立一個(gè)完整數(shù)據(jù)包接收完畢標(biāo)志(spi_recv_flag)。當(dāng)用戶需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),隨時(shí)可以將發(fā)送數(shù)據(jù)包填入發(fā)送緩沖區(qū),當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí),隨時(shí)測試接收標(biāo)志是否置位,這樣從接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中得到對方發(fā)來的數(shù)據(jù)包。按照上述協(xié)議,SPI接口設(shè)置好以后,用戶的數(shù)據(jù)收發(fā)只要面對本協(xié)議設(shè)置的通信緩沖區(qū),而無需關(guān)注SPI接口如何工作。從而滿足數(shù)據(jù)雙向傳輸、隨機(jī)收發(fā)的要求。基本協(xié)議構(gòu)造示意圖如圖3所示。
圖3 基本協(xié)議構(gòu)造示意圖
編者注:測試程序略。
注意:筆者主機(jī)顯示設(shè)備為LCD12864,從機(jī)顯示設(shè)備為8個(gè)數(shù)碼管,為縮短篇幅,其顯示驅(qū)動(dòng)程序未列出。從程序中可以看出,SPI接口在發(fā)送一個(gè)字節(jié)的同時(shí),接收一個(gè)字節(jié),這是SPI與其他串行通信方式本質(zhì)的不同。此外,筆者在接近1MHz的極限速率下作了測試,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。
基本協(xié)議較簡單,可以保證通信雙方能夠可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但上述協(xié)議的實(shí)現(xiàn)依賴于從機(jī)中斷方式。而SPI中斷與UART串行中斷共用,當(dāng)從機(jī)串行口用于其他通信時(shí),就要避免通信中斷的相互干擾。復(fù)雜電子系統(tǒng)通信配置圖如圖4所示。
圖4 復(fù)雜電子系統(tǒng)通信配置圖
圖4中的單片機(jī)串口只是數(shù)據(jù)發(fā)送,而無需接收數(shù)據(jù),串行通信也只需單向數(shù)據(jù)傳輸。采用查詢方式,不占用中斷,串行4號中斷用于SPI通信。因此,可以用SPI基本協(xié)議完成單片機(jī)雙機(jī)通信功能。若電子系統(tǒng)與上位機(jī)之間有信息交互的要求,并且收發(fā)數(shù)據(jù)皆為隨機(jī),此時(shí)系統(tǒng)通信的配置模式如圖4所示。
圖4中2號機(jī)SPI通信和UART通信皆為Slaver方式,由于SPI、UART共用一個(gè)中斷,會(huì)導(dǎo)致通信工作過程不正常,嚴(yán)重時(shí)SPI和UART通信皆無法正常進(jìn)行。上述協(xié)議無法滿足需要。為此,在基本協(xié)議的基礎(chǔ)上,構(gòu)造高級的協(xié)議。
高級協(xié)議:主機(jī)和從機(jī)皆用定時(shí)器進(jìn)行SPI數(shù)據(jù)幀的收發(fā),定時(shí)器是SPI通信的發(fā)動(dòng)機(jī),通信是由主機(jī)定時(shí)器發(fā)動(dòng)。從機(jī)僅被動(dòng)收發(fā),為了保證SPI收發(fā)雙方數(shù)據(jù)包的字節(jié)相位匹配,必須設(shè)置數(shù)據(jù)包收發(fā)緩沖區(qū),收發(fā)緩沖區(qū)字節(jié)個(gè)數(shù)應(yīng)當(dāng)是數(shù)據(jù)包的N倍。同時(shí),數(shù)據(jù)包中設(shè)置若干包標(biāo)示字節(jié),通常為頭字節(jié)、尾字節(jié),以便主從機(jī)在接收數(shù)據(jù)時(shí)可以動(dòng)態(tài)的進(jìn)行字節(jié)相位的校準(zhǔn),保證數(shù)據(jù)接收的可靠性。高級協(xié)議構(gòu)造示意圖如圖5所示。
圖5 高級協(xié)議構(gòu)造示意圖
圖5中,SPI通信數(shù)據(jù)包為8個(gè)字節(jié),包標(biāo)識(shí)字節(jié)為0x0d、0x0c。SPI通信發(fā)動(dòng)采用PCA定時(shí)器模式,讀者也可以采用定時(shí)器T1和T2實(shí)現(xiàn)SPI通信發(fā)動(dòng)。參考程序如下:
隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展,串行擴(kuò)展和串行通信成為單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的主流,用戶應(yīng)當(dāng)掌握各種串行通信方式的開發(fā)技術(shù)。其中,SPI通信方式的快速數(shù)據(jù)傳輸能力,為用戶靈活的編制通信協(xié)議,為保證通信的可靠性提供了保障。
編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。
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