Loto實踐干貨(6)用示波器+邏輯分析儀進行SPI解碼

ID:412156 · 發(fā)表于 2020-6-9 10:59

SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳。SPI以主從方式工作模式被廣泛應(yīng)用于電路系統(tǒng)中，我結(jié)合自己的項目情況對SPI協(xié)議進行解析，并通過LOTO虛擬示波器采集到的數(shù)據(jù)波形并進行對比分析，方便大家的理解。

SPI通信協(xié)議一般只需要四根線將主控芯片與從芯片連接起來，其中四根線分別為：
（1）SDO    – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入
（2）SDI    – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出
（3）SCLK – 時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生
（4）CS       – 從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制

其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設(shè)備成為可能。

實際應(yīng)用中只需要三根線來進行通信。在SPI是串行通訊協(xié)議下，數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸的。這就是SCLK時鐘線存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線在時鐘上升沿或下降沿時改變，完成一位數(shù)據(jù)傳輸。輸入也使用同樣原理。在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)（一個字節(jié)數(shù)據(jù)）的傳輸。下面是項目中所涉及的SPI通信協(xié)議的時序圖為16位數(shù)據(jù)。

這是我初次嘗試失敗了的例子，使用LOTO的USB示波器OSCA02采集到的對應(yīng)波形如下圖所示。

地線過長導(dǎo)致這個信號的噪聲比較大，但其實失敗的根本原因是，我的示波器只有兩個輸入通道，所以只能看主要的時鐘和一路數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，遠遠做不到解碼，大家可以直觀的感受下實際的SPI信號的樣子，后面有彩蛋。
  在一個基于SPI的設(shè)備中，至少有一個主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c：與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停。當(dāng)沒有時鐘跳變時，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。主設(shè)備通過對SCLK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。因為SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實現(xiàn)方式有所不同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義。

SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，簡單高效。硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。由于SPI沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。

         在自己的項目中只用到數(shù)據(jù)輸出模式，因此SPI可串行3線方式進行通信:一條時鐘線SCLK，一條輸出控制線CS，一條數(shù)據(jù)輸出線SDO;

SPI 模塊為了和外設(shè)進行數(shù)據(jù)交換，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果 CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（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)備時鐘相位和極性應(yīng)該一致。

主設(shè)備配置SPI接口時鐘的時要弄清楚從設(shè)備的時鐘要求，因為主設(shè)備的時鐘極性和相位都是以從設(shè)備為基準(zhǔn)的。因此在時鐘極性的配置上一定要搞清楚從設(shè)備是在時鐘的上升沿還是下降沿接收數(shù)據(jù)，是在時鐘的下降沿還是上升沿輸出數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在，我的示波器升級成了OSCA02L，是示波器加邏輯分析儀一體的了，所以這次完全有機會做到測4線SPI和解碼，

有了上面的基礎(chǔ)，我把這次使用USB虛擬示波器+邏輯分析儀做SPI測試和解碼的過程，拍了視頻，比圖文更直觀，如下所示：
https://www.bilibili.com/video/BV1na4y1e72c

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