方杰,曾碧

(廣東工業(yè)大學(xué),廣州510006)

引 言

SPI(同步串行外圍接口)是由Motorola公司最早提出的,出現(xiàn)在其M 68系列單片機(jī)中。它是一種全雙工的同步串行接口,采用主-從模式架構(gòu),支持多Slave模式應(yīng)用,但一般僅支持單Master[1]。由于其簡單實(shí)用,又不牽涉到專利問題,因此許多廠家的設(shè)備都支持該接口,被廣泛應(yīng)用于外設(shè)控制領(lǐng)域。SPI接口是一種事實(shí)標(biāo)準(zhǔn),并沒有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,大部分廠家都是參照Motorola公司的SPI接口定義來設(shè)計(jì)的。正因?yàn)闆]有確切的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,不同廠家的SPI器件接口在技術(shù)上存在著一定的差異,有的甚至無法直接互連。本文對(duì)SPI器件通信時(shí)容易忽略的問題進(jìn)行了分析。

1 S3C2440A內(nèi)置SPI接口與工作時(shí)序

S3C2440A是Samsung公司生產(chǎn)的ARM 9內(nèi)核芯片,該芯片內(nèi)置了2個(gè)SPI硬件控制器,大大簡化了與SPI器件的通信[2]。從Samsung公司提供的Datasheet中可以看出,其內(nèi)置硬件SPI結(jié)構(gòu)主要由4部分構(gòu)成:時(shí)鐘分頻器、8位發(fā)送移位寄存器、8位接收移位寄存器、控制邏輯等。其與SPI接口相關(guān)的寄存器包括控制寄存器(SPCONn)、狀態(tài)寄存器(SPSTAn)、引腳控制寄存器(SPPINn)、預(yù)分頻寄存器(SPPREn)、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(SPTDATn)、接收數(shù)據(jù)寄存器(SPRDATn,n=0,1)。其SPI接口共有4根信號(hào)線,分別是從設(shè)備選擇線(SS)、時(shí)鐘線(SCK)、串行輸出數(shù)據(jù)線(MOSI)、串行輸入數(shù)據(jù)線(MISO)。當(dāng)S3C2440A作為M aster時(shí),SS信號(hào)由S3C2440A驅(qū)動(dòng)輸出,用于選擇激活某從SPI器件,只有當(dāng)SS信號(hào)線為低電平時(shí),對(duì)應(yīng)Slave設(shè)備的SPI接口才處于工作狀態(tài)。為了滿足不同SPI器件的通信特性,S3C2440A內(nèi)置的SPI接口定義了4種數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鲿r(shí)序,這4種時(shí)序是由控制寄存器(SPCONn)的時(shí)鐘極性控制位(CPOL)和時(shí)鐘相位控制位(CPHA)聯(lián)合進(jìn)行配置的。從表1可以看出,SPI的工作時(shí)序主要是根據(jù)數(shù)據(jù)采樣的時(shí)刻(上升沿或下降沿),以及在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)SCK信號(hào)所保持的狀態(tài)來劃分模式的。

根據(jù)CPOL和CPHA設(shè)置的不同,S3C2440A內(nèi)置SPI接口的4種工作時(shí)序如圖1所示。需要注意的是,SPI通信的數(shù)據(jù)傳輸是以字節(jié)為單位進(jìn)行的,且高位在前,低位在后,圖1中的*LSB表示上一個(gè)傳輸字節(jié)的最低位,MSB*是指下一個(gè)傳輸字節(jié)的最高位。

表1 CPOL和CPHA對(duì)SPI時(shí)序的影響

圖1 SPI通信的工作時(shí)序

2 射頻芯片TRF796x

TRF796x是德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的射頻讀寫器芯片,是一個(gè)13.56 MH z集成模擬前端和數(shù)據(jù)幀RFID閱讀系統(tǒng)[3]。其內(nèi)部可編程配置,外部控制器可直接訪問其內(nèi)部寄存器來調(diào)整讀寫器的各種參數(shù),該芯片被廣泛應(yīng)用于近距離RFID系統(tǒng)。

TRF796x芯片與處理器之間的通信既可以通過8位并行口也可以通過SPI接口。當(dāng)采用SPI接口時(shí),TRF796x芯片總是以從設(shè)備運(yùn)行。如果內(nèi)部的硬件編/解碼器被使用,TRF796x將啟動(dòng)12個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖器FIFO來完成數(shù)據(jù)的傳送和接收。有時(shí)候?yàn)榱耸固幚砥?如MCU)能實(shí)時(shí)的處理數(shù)據(jù),TRF796x會(huì)旁路掉硬件編/解碼器,采用直接傳送和接收功能。TRF796x芯片的兩種通信模式是相互排斥的,在應(yīng)用中的某個(gè)時(shí)刻只能有一種通信方式被使用。表2中列出了TRF796x的通信方式,可以看出,要實(shí)現(xiàn)其SPI通信就必須先對(duì)引腳I/O0～I(xiàn)/O2配置成不同的電平。當(dāng)芯片被使能工作時(shí)就會(huì)檢測(cè)這3個(gè)引腳的電平,從而進(jìn)入相應(yīng)的通信方式。

當(dāng)選擇了SPI帶SS通信方式,SS信號(hào)為高時(shí)SPI處于復(fù)位狀態(tài)。只有SS信號(hào)為低時(shí),時(shí)鐘信號(hào)才開始工作,串行數(shù)據(jù)輸入(MOSI)在上升沿采樣,在下降沿確認(rèn)生效,當(dāng)SS信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí),通信終止。TRF796x的寫操作通信如圖2所示。

表2 TRF796x的通信模式

圖2 TRF796x的SPI接口通信(寫)

TRF796x的單個(gè)寄存器讀操作包括一個(gè)寫周期和一個(gè)讀周期,在寫周期過程中,M ISO引腳上是無效的數(shù)據(jù),其時(shí)序與寫操作相同,也是上升沿采樣,下降沿確認(rèn)生效。在寫周期和讀周期之間,需要有半個(gè)時(shí)鐘周期的極性轉(zhuǎn)換時(shí)間。注意:對(duì)于任何讀操作(單個(gè)讀、連續(xù)讀)來說,該時(shí)鐘極性跳變必須被執(zhí)行,否則不能夠讀到TRF796x寄存器的正確值。在讀周期過程中,數(shù)據(jù)在下降沿采樣,上升沿時(shí)確認(rèn)生效,而MOSI引腳不應(yīng)該有任何的跳變,就是說要始終保持高電平或低電平(即0x00或0xFF)。圖3是TRF796x的讀操作時(shí)序。

圖3 TRF796x的SPI接口通信(讀)

3 ARM與TRF796x通信的實(shí)現(xiàn)

S3C2440A的SPI接口傳輸方式有查詢、中斷、DMA三種,由于TRF796x有專門的IRQ中斷引腳,所以本文選擇ARM芯片SPI接口的查詢方式。S3C2440A作為Master,時(shí)鐘頻率通過SPPREn寄存器設(shè)置,其頻率f=PCLK/[2(SPPREn的值+1)],f≤25 MHz。控制寄存器SPCONn應(yīng)該根據(jù)具體的通信要求來設(shè)置。

對(duì)TRF796x的訪問需要區(qū)分是寫地址還是寫命令[4],字節(jié)的最高位(MSB)決定了該指令是用于命令還是地址。具體的地址/命令字節(jié)位描述如表3所列。

表3 地址/命令字節(jié)描述

從表3可以看出,如果是單個(gè)寫寄存器操作,則發(fā)送字節(jié)最高3位為000;如果是連續(xù)寫寄存器操作,則最高3位001;如果是讀單個(gè)寄存器操作,則最高3位010;如果是寫命令,則最高3位100;其他操作不再詳述。

本文采用S3C2440A的SPI0接口與TRF796x通信,其連接圖如圖4所示。從I/O_0～I(xiàn)/O_2的引腳電平可以看出選擇的是SPI帶SS通信方式。其中,EN腳是TRF796x的工作使能引腳,I/O_4是SS腳。當(dāng)SS置為低且查詢到狀態(tài)寄存器SPSTA0的最低位為1(說明SPI發(fā)送接收準(zhǔn)備好),待發(fā)送的數(shù)據(jù)一旦寫入到發(fā)送移位寄存器SPTDAT0中,SPI通信的發(fā)送和接收就會(huì)同時(shí)開始,一般是上升沿發(fā)送,下降沿接收。如果只想發(fā)送不想接收數(shù)據(jù),可以不讀取接收寄存器的內(nèi)容;值得注意的是,如果只想接收數(shù)據(jù),應(yīng)該寫數(shù)據(jù)0xFF或0x00到發(fā)送移位寄存器,然后才能從接收移位寄存器中讀取數(shù)據(jù)。

圖4 SPI接口連接圖

下面通過非連續(xù)寄存器讀操作來具體說明ARM與TRF796x是如何進(jìn)行SPI通信的。圖5是對(duì)TRF796x的非連續(xù)寄存器讀操作的流程。

整個(gè)讀操作流程是:

①初始化操作,置EN腳為高電平使能TRF796x工作,將GPE11～GPE13配置成SPI功能,配置S3C2440A作為Master,且選擇查詢工作方式,寫SPPREN 0寄存器來配置通信時(shí)鐘頻率。

②寫地址,從圖1和圖3的時(shí)序可以看出,要讀

圖5 SPI非連續(xù)讀操作流程

TRF796x的寄存器值,必須包含一個(gè)寫地址周期和一個(gè)讀數(shù)據(jù)周期。在寫TRF796x的地址之前,必須先設(shè)置SPCON0的CPOL和CPHA都為0,這樣通信雙方的時(shí)序才能保持一致,而且要將地址字節(jié)的最高3位設(shè)為010,然后將地址字節(jié)寫入發(fā)送移位寄存器SPTDAT0中,一旦地址字節(jié)發(fā)送完,TRF796x就會(huì)把相應(yīng)地址的內(nèi)容送到M ISO腳上。

③讀數(shù)據(jù),在地址字節(jié)寫入后,讀數(shù)據(jù)之前,必須轉(zhuǎn)換SCK的時(shí)鐘極性,從圖1可以看出,需要設(shè)置CPOL為0,CPHA為1,這樣就滿足了TRF796x的讀時(shí)序要求。寫數(shù)據(jù)0x00或0xFF到SPTDAT0中,接著就可以從SPRDAT0中讀取數(shù)據(jù)。

非連續(xù)讀操作的實(shí)現(xiàn)代碼如下:

//把GPE13設(shè)為普通GPIO,并輸出高電平

為了驗(yàn)證上述的程序,在按照?qǐng)D4連接電路后,可以選擇讀取TRF7960的09h、0Ah、0Bh寄存器單元的內(nèi)容,這3個(gè)寄存器在系統(tǒng)上電時(shí),分別默認(rèn)內(nèi)容為0x11、0x40、0x87。定義一個(gè)數(shù)組Operation[0]=0x09;Operation[1]=0x0A;Operation[2]=0x0B;調(diào)用函數(shù)Sing leRead(Operation,3);即可得到3個(gè)寄存器的內(nèi)容并存放在Operation數(shù)組中。在RFID門禁系統(tǒng)的開發(fā)中,就是采用了這種SPI通信方式實(shí)現(xiàn)了ARM對(duì)RFID閱讀器芯片的訪問控制。

結(jié) 語

本文通過介紹ARM芯片與TRF796x之間的硬件SPI通信方式,說明了在進(jìn)行SPI器件之間通信時(shí)應(yīng)該注意的問題,強(qiáng)調(diào)工作時(shí)序在通信時(shí)的重要性,最后給出的程序在RFID門禁系統(tǒng)中得到了運(yùn)用。論文研究對(duì)ARM與其他SPI器件之間的通信有一定的參考意義,只要根據(jù)SPI器件的工作時(shí)序進(jìn)行稍加修改就能融會(huì)貫通。

[1]沈建華.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)-軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[2]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[3]凌陽教育.SPI原理與控制器[OL].[2010-06].http://www.51C51.net.

[4]Samsung Electronics.S3C2440A User Manual,2004.

[5]Texas Instruments.TRF796x Datasheet.

[6]朱臣元,俞暉,徐友云.多協(xié)議多標(biāo)簽RFID讀寫器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009(8).