第5章單片機SPI通信

ID:111078 · 發(fā)表于 2016-3-28 02:11

51單片機輕松入門—基于STC15W4K系列（C語言版）
李友全編著:http://www.zg4o1577.cn/bbs/dpj-37954-1.html

第5章單片機SPI通信

1 接口定義

2 SPI接口相關(guān)寄存器

3 SPI接口運用舉例

（1）單主機-單從機通信方式(從機不用片選）

（2）STC-SPI硬接口(單主單從_從機使用片選）

（3）STC-SPI硬接口(互為主從）

（4）STC-SPI硬接口(單主多從）

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1 接口定義

UART串口通信速度一般只能到達115200位/秒，SPI通信數(shù)據(jù)速率可達8MHz

(16M位/秒)以上的水平。 SPI接口共有4根信號線，分別是：設(shè)備選擇線（片選）、時鐘線、串行數(shù)據(jù)輸出線、串行數(shù)據(jù)輸入線，如下圖所示。

① MOSI（Master Out Slave In）：主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入，用于主器件到從

器件的數(shù)據(jù)傳輸。

② MISO（Master In Slave Out）：主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出，用于從器件到主器件的數(shù)據(jù)傳輸。

③ SCLK (SPI Clock) ：時鐘信號，只能由主器件產(chǎn)生。

④ /SS：設(shè)備選擇線（片選），由主器件控制，當(dāng)從器件片選信號輸入低電平時為選中狀態(tài)，/SS是針對從器件而言的，作為主器件，不需要使用/SS。

單片機為了和外設(shè)進行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，單片機輸出時鐘信號有幾種不同的狀態(tài)。

（1）時鐘極性(CPOL)定義了時鐘空閑狀態(tài)的電平。 CPOL=0：時鐘空閑狀態(tài)為低電平。 CPOL=1：時鐘空閑狀態(tài)為高電平。

（2）時鐘相位(CPHA)定義數(shù)據(jù)的采樣時刻。 CPHA=0：單片機在每個時鐘周期的第一個跳變沿(上升或下降) 采樣外部數(shù)據(jù)，第二個

跳變沿輸出數(shù)據(jù)。

CPHA=1：在每個時鐘周期的第一個跳變沿(上升或下降) 輸出數(shù)據(jù)，第二個跳變沿采樣外部數(shù)據(jù)。

時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)的組合可形成四種不同的數(shù)據(jù)傳輸時序，如下圖所示。

前沿采樣后沿輸出

2 SPI接口相關(guān)寄存器

表5-1 SPCTL控制寄存器（復(fù)位值為0000 0100B）

位號	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
位名稱	SSIG	SPEN	DORD	MSTR	CPOL	CPHA	SPR1	SPR0

典型設(shè)置舉例：

l 2個單片機3線制主從通信（從機不用片選線），主機設(shè)置：0xF0（1111 0000），從機設(shè)置：0xE0（1110 0000）。

l 2個單片機4線制通信（從機使用片選線），主機設(shè)置：0xF0（1111 0000），從機設(shè)置：0x60（0110 0000）。

l 2個單片機互為主從4線制通信（從機使用片選線），主機設(shè)置：0xF0（1111 0000），從機設(shè)置：0x60（0110 0000）。

各位詳細說明：

SSIG ：/SS引腳忽略控制位。

1：忽略/SS引腳，由D4(MSTR)位確定器件為主機還是從機，MSTR=1（主機），MSTR=0（從機）。

0：作從機且使用片選線時設(shè)為0，同時將D4（MSTR）位設(shè)0成為從機，當(dāng)片選線/SS為低時芯片選中，可正常通信，當(dāng)片選線/SS為高時芯片沒選中，不參與通信。

SPEN ：SPI使能位。1：使能SPI。0：禁止SPI，所有SPI引腳都作為普通IO口使用。

DORD：設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的順序。1：低位在前，高位在后。 0：高位在前，低位在后。 MSTR ：MSTR=1（主機），MSTR=0（從機）。 CPOL：時鐘極性。1：SPI空閑時，時鐘線為高電平。0：SPI空閑時，時鐘線為低電平。 CPHA：時鐘相位選擇。1：時鐘前沿輸出，后沿采樣。0：時鐘前沿采樣，后沿輸出。

SPR1與SPR0：主機輸出時鐘速率選擇，見下表。

說明：SYS_clk表示CPU運行時鐘，若沒進行分頻設(shè)置（默認值），SYS_clk就是內(nèi)部R/C時鐘

或外部晶振頻率，作為主機方式，上面4種配置方式都可以穩(wěn)定工作，但建議時鐘頻率一般不要超過3M，這樣既可增強SPI傳輸穩(wěn)定性又能減小高頻信號對電路板上其它器件產(chǎn)生干擾。對于從機，時鐘速率設(shè)置無效，它完全是由主機時鐘頻率控制，從機能接受的時鐘頻率要求控制在SYS_clk/4以內(nèi)，比如主機和從機都使用內(nèi)部R/C時鐘33.1776MHZ，主機和從機最高允許

時鐘頻率率33.1776/4≈8.3MHz。

表5-3 SPSTAT狀態(tài)寄存器（復(fù)位值為00xx xxxxB）

位號	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
位名稱	SPIF	WOCL	-	-	-	-	-	-

SPIF：SPI傳輸完成標(biāo)志。當(dāng)一次傳輸完成時，SPIF被置1,此時，如果SPI中斷被打開

（ESPI=1,EA=1），則產(chǎn)生中斷,SPIF標(biāo)志通過軟件向其寫入1而清零，比如：SPSTAT=0xC0; 執(zhí)行后SPSTAT=0x00。

WOCL：SPI寫沖突標(biāo)志。當(dāng)一個數(shù)據(jù)還在傳輸，又向數(shù)據(jù)寄存器SPDAT寫入數(shù)據(jù)時，WOCL被置1,WOCL標(biāo)志通過軟件向其寫入1而清零。

表5-4 SPDAT數(shù)據(jù)寄存器（復(fù)位值為0000 0000B）

位號	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
位名稱	MSB							LSB

位7～0：保存SPI通信數(shù)據(jù)字節(jié)。MSB為最高位，LSB為最低位。例如，主機發(fā)送數(shù)據(jù)：

SPDAT=tmpdata; // 將tmpdata變量中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，執(zhí)行此命令后硬件電路自動輸出

tmpdata變量數(shù)據(jù)并接收從機數(shù)據(jù)。

重點說明：如下圖所示，SPDAT是SPI接口內(nèi)部移位寄存器配備的一個數(shù)據(jù)緩沖寄存器，其物理地址與移位寄存器一樣，當(dāng)對SPDAT進行讀操作時，讀取的是緩沖寄存器中的內(nèi)容，當(dāng)對 SPDAT進行寫操作時，數(shù)據(jù)將被直接寫入移位寄存器并啟動發(fā)送過程。

3 SPI接口運用舉例

（1）單主機-單從機通信方式(從機不用片選），硬件電路如圖所示。

程序功能說明：

計算機向主單片機（1號）發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)，主單片機的串口每次收到1個字節(jié)數(shù)據(jù)后就立刻將這個字節(jié)通過SPI口發(fā)送到從單片機（2號），同時，主單片機收到從單片機發(fā)回的一個字節(jié)，并把收到的這個字節(jié)通過串口發(fā)送到計算機，可使用串口助手觀察實驗結(jié)果。從單片機SPI口收到數(shù)據(jù)后，把收到的數(shù)據(jù)(SPDAT中讀出的內(nèi)容)放到自己的移位寄存器中

（對SPDAT寫入數(shù)據(jù)），當(dāng)下一次主單片機發(fā)送一個字節(jié)過來時把數(shù)據(jù)發(fā)回到主單片機，R/C

時鐘頻率22.1184MHz，計算機串口波特率設(shè)置為9600、n、8、1，十六進制發(fā)送與接收。

主單片機（1號）程序代碼：

#include "STC15W4K.H"	//	注意宏定義后面沒分號
bit SPI_Receive;	//	SPI 端口收到數(shù)據(jù)標(biāo)志位
unsigned char SPI_buffer;	//	保存SPI端口收到的數(shù)據(jù)

/**************************************************************************

- 功能描述：STC15單片機串口1初始化,使用T1方式2自重載方式做波特率發(fā)生器

**************************************************************************/

void UART_init(void) // 9600bps@22.1184MHz

{

// 下面代碼設(shè)置定時器1

TMOD |= 0x20; // 0010 0000 定時器1工作于方式2（8位自動重裝方式） TH1 = 0xFA; // 波特率：9600 /22.1184MHZ

TL1 = 0xFA; // 波特率：9600 /22.1184MHZ TR1 = 1;

// 下面代碼設(shè)置定串口

AUXR = 0x00; // 很關(guān)鍵，使用定時器1作為波特率發(fā)生器，S1ST2=0

SCON = 0x50; // 01010 0000 SM0.SM1=01(最普遍的8位通信）,REN=1（允許接受）

}

void Switch_port() // 根據(jù)硬件連接切換端口

{

AUXR1&=0XF3; //1111 0011

AUXR1|=0X04; //0000 0100

}

void port_mode() // 端口模式

{

P0M1=0x00; P0M0=0x00;P1M1=0x00; P1M0=0x00;P2M1=0x00; P2M0=0x00;P3M1=0x00; P3M0=0x00; P4M1=0x00; P4M0=0x00;P5M1=0x00; P5M0=0x00;P6M1=0x00; P6M0=0x00;P7M1=0x00; P7M0=0x00;

}

void main(void)

{

unsigned char tmpdata,SPI_status;

port_mode(); // 所有IO口設(shè)為準(zhǔn)雙向弱上拉方式。 UART_init(); // 初始化串口2C9600bps@22.1184MHz],9600bps@22.1184MHz

SPCTL=0xF0; // 主機 (或SPCTL=0xFC; )

Switch_port(); // 端口切換

while(1) // 主循環(huán)

{

if(RI) // 判串口是否收到數(shù)據(jù)

{

tmpdata=SBUF; // 讀取串口中收到的數(shù)據(jù) RI=0;

P35=!P35; // 串口接收數(shù)據(jù)指示燈，調(diào)試時觀察串口工作是否正常

SPDAT=tmpdata; // 將數(shù)據(jù)發(fā)送到從機SPI SPI_status=0;

while(SPI_status==0)

{

SPI_status=SPSTAT; // 等待SPIF=1即等待SPI發(fā)送完畢 SPI_status=SPI_status&0x80;

}

SPSTAT=0xC0; // 清0標(biāo)志位SPIF和WCOL SPI_buffer=SPDAT; // 保存收到的數(shù)據(jù)

SBUF=SPI_buffer; // 將接收到的數(shù)據(jù)從串口發(fā)送到計算機

while(TI==0); // 等待發(fā)送完畢

TI=0; // 清零串口發(fā)送中斷標(biāo)志

}

從單片機（2號）程序代碼：

#include "STC15W4K.H"	//		注意宏定義后面沒分號
bit SPI_Receive;	//		SPI 端口收到數(shù)據(jù)標(biāo)志位
unsigned char SPI_buffer;	//		保存SPI端口收到的數(shù)據(jù)
void port_mode() {}	//		端口模式，與主單片機相同
void main(void)
{
port_mode();	//	所有IO口設(shè)為準(zhǔn)雙向弱上拉方式。
SPCTL=0xE0;	//	從機 (或SPCTL=0xEC; )
IE2=IE2\|0x02;	//	ESPI(IE2.1)=1,允許SPIF產(chǎn)生中斷
EA=1;	//	開總中斷
SPI_Receive=0;	//	清標(biāo)志字
while(1)	//	主循環(huán)
{
if (SPI_Receive)		// 判收是否收到主機SPI發(fā)來的數(shù)據(jù)
{
SPI_Receive=0;		// 清0主單片機SPI端口收到數(shù)據(jù)標(biāo)志位

SPDAT=SPI_buffer; // 將收到數(shù)據(jù)送SPDAT,準(zhǔn)備下一次通訊時發(fā)回

}

void SPI(void) interrupt 9

{

SPSTAT=0xC0; // 清0標(biāo)志位SPIF和WCOL SPI_buffer=SPDAT; // 保存收到的數(shù)據(jù) SPI_Receive=1; // 設(shè)置SPI端口收到數(shù)據(jù)標(biāo)志

}

（2）STC-SPI硬接口(單主單從_從機使用片選）

我們使用片選的目的是要實現(xiàn)多機選擇，如果只有一個從機就沒有必要多使用一條片選線

了，因此程序中在SPI傳輸前打開片選（拉低從機SS），SPI傳輸完成后關(guān)閉片選（拉高從機SS），當(dāng)然也可以不關(guān)閉。只有很少一點代碼與上例不同，如下所示。

sbit P2_4=P2^4;

#ifdef MASTER

SPCTL=0xf0; // 1111 0000

#else

SPCTL=0x60; // 0110 0000

#endif

………

P2_4=0; // 打開從機片選 SPDAT=tmpdata; // SPI 發(fā)送數(shù)據(jù)

…… // 等待SPI發(fā)送完畢

P2_4=1; // 關(guān)閉從機片選

（3）STC-SPI硬接口(互為主從）

程序功能說明：

1號單片機與2號單片機互為主從，分別通過串口與計算機相連，靜態(tài)時2個單片機都設(shè)置為需要片選的從機方式，如果哪個單片機收到計算機發(fā)來的數(shù)據(jù)，就設(shè)置為主機方式，拉低/SS 片選線選中從機，并發(fā)送數(shù)據(jù)給從機，主機收到從機的返回數(shù)據(jù)發(fā)計算機，從機收到主機的數(shù) 據(jù)也發(fā)計算機，總體效果是2個計算機串口可以對傳數(shù)據(jù)。本實驗在硬件上需要2個計算機串口，串口助手可用STC_ISP打開2個串口助手窗口，R/C時鐘頻率22.1184MHz，波特率為9600、n、

8、1。

完整代碼請參見教材P186-P187。

（4）STC-SPI硬接口(單主多從），硬件電路如圖所示。