SPI总线在51单片机系统中的实现

2012-06-02

万江

一个完整的单片机系统，通常包括键盘输入、显示输出、打印输出、数据采集等许多功能模块。这些功能模块一般是通过I/O端口实现与单片机的数据交换，但是单片机的I/O端口有限，且一般用来处理数字信号，从而产生了总线式传输模式。

现在大多数单片机都是传统的三总线结构，即地址，数据，控制三总线。由于方便控制，三总线得到广泛的应用。但是作为并行总线，它也有一定的局限性。不适合远距离的传输。与I/O口的数目存在矛盾。随着电子技术的进步，发展出很多新的总线接口，如USB、I2C、CAN、SPI、1-Wire等。这些总线的特点都是串行接口，只需要几根甚至一根线就可以实现数据的传输。本文通过对支持SPI总线的AD器件MAX189性能分析，简要介绍了SPI总线在单片机系统中如何应用，并利用其制作一款简易的电压表。

一、SPI总线简介

SPI(Serial Peripheral Interface)是MOTOROLA公司提出的同步串行总线方式。因其硬件功能强大而被广泛应用。在单片机组成的智能仪器和测控系统中。如果对速度要求不高，采用SPI总线模式是个不错的选择。它可以节省I/O端口，提高外设的数目和系统的性能。标准SPI总线由四根线组成：串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出线(MISO)。主机输出/从机输入线(MOSI)和片选信号(CS)。有的SPI接口芯片带有中断信号线或没有MOSI。图1给出了SPI的典型时序图。

SPI主要性能如下：

全双工，三线同步传输
1.05Mbit/s的最大主机位速率
四种可编程主机位速率
可编程串行时钟极性与相位
发送结束中断标志
写冲突保护
总线竞争保护

二、MAX189芯片

MAX189是美国美信公司设计的一种12位串行A/D转换器。其内部集成了大带宽跟踪/保持电路和串行接口。转换速率高，功耗低，精度高。并且有SPI、Microwire和TMS320兼容的4线串行接口，与微处理器接口。只需要很少的口线，很节约资源。

MAX189的特点:

三线高速串行接口，12位分辨率
8.5 us逐次逼近型ADC
单一5V工作电压，工作电流1.5mA。关断电流2uA
0-5v模拟输入电压范围
使用片外时钟源
外置参考电压
内部跟踪/保持电路，75ksps采样速率
1/2LSB整体非线性度

MAX189的时序如图2，表1给出了MAX189引脚功能。

PIN	名称	功能说明
1	VCC	电源输入，+5V(±5%)
2	AIN	模拟电压输入端，0-REF。
3	/SHDN	三电平关闭输入端，低电平关断
4	REF	用于模拟信号的基准电压端，使用外部基准源时用作输入
5	GND	模拟和数字地
6	DOUT	串行数据输出端，数据在sclk的下降沿输出
7	/CS	片选，低电平有效
8	SCLK	串行时钟输入端(最大5MHz)

该简易电压表电路采用不带SPI接口的AT89C2051单片机，其指令系统与51系列完全兼容。可以通过软件模拟SPI时序，包括串行时钟。数据输入和输出。来实现对A/D器件MAX189的操作。所测电压经过单片机的处理，采用三个七段数码管显示。采用SN74LS164扩展I/O口。MAX189的2脚为待测模拟电压输入端。图3是简易电压表的原理图，其中A为数码管显示电路，B为A/D转换部分电路。

MAX189可以工作在两种模式下。即普通状态和关断状态。如果将SHDN置低电平。器件处于美断状态，电流小于10 uA。当把SHDN置高电平或悬空。器件就可以被操作。此时，CS在时钟下降沿启动转换.在时钟SCLK的每一个上升沿把一个最高位为“1”的控制宇节的各位送入输入移位寄存器.并启动串行时钟.开始将输入电压值逐次逼近转换。它用输入跟踪/保持(T/H)和12位逐次逼近寄存器(SAR)构成的电路系统将模拟信号转换成12位数宇信号输出。T/H电路不需要外部保持电容。输出数据按照高位在前.低位在后的顺序。在12个SCLK的每一个下降沿决定逐次逼近的各位并将数据送到Dout端。每一位转换结束后Dout由低电平变为高电平。(转换过程中不能对SCLK操作)按照时序要求。每输入一个(移位)脉冲。下降沿取出一位数据。单片机读取并做处理。读出12位数据后，可以开始下一次转换。

AT89C2051的串行端口处于模式0。数据的发送和接收都是通过RXD引脚(这里只用来发送数据).TXD则负责送出移位脉冲。其数据位由LSB开始发送/接收8个位。波特率固定为fosc/12。SN74LS164负责接收串行口发送的数据。在传输8个位后。其将数据并行送出驱动数码管.显示所测电压值。

该电压表小巧，方便，精度高。程序运行比较稳定。误差在0.01V数量级。(感谢在设计过程中司佑全老师的给予的悉心指导)

源程序

该程序的作用是是该电路能测量0-5V的电压.并用数码管实时显示。

;占用p1.5,p1.6,p1.7作为模拟SPI时序与MAX189连接。


        sclk equ P1.5  ;定义缓冲区
        cs equ p1.6
        dout equ p1.7
        buf equ 50h
        org 0000h
        ajmp begin
begin:  
        acall init     ;初始化片内资源
        acall load_data;初始化缓冲区
        acall adc_init ;对AD的操作
        acall con      ;数据处理子程序
        acall display  ;显示子程序
        acall load_data
        ajmp begin
init:   mov 36h,#00000000b     ;加载初值,取高8位数据
        mov 37h,#00000000b
        mov r1,#8
        mov r3,柏
        mov scon,#00h
        mov ie,#82h
        setb ti
        ret
adc_init:
        acall init_ad  ;AD的控制
        acall wait
        acall read_ad
        ret
init_ad:;启动AD转换


        setb cs
        clr cs
        ret
wait:   ;等待AD转换的结束


        jnb dout,wait
        ret
fasong: jnb ti,$       ;发送数据
        clr ti
        mov sbuf,a
        ret
read_ad:
Ioop1:  
        setb sclk
        clr sclk
        mov C,dout
        mov A,36H
        rlc A
        mov 36H,A
        djnz r1,loop1  ;读高8位,存放在36h
loop11: 
        setb sclk
        clr sclk
        mov C,dout
        mov a,37H
        RLC a
        MOV 37H,a
        DJNZ R3,loopll
        mov a,36h
        setb cs
        ret
load_data:
        mov buf,0fch   ;扫描显示器,显示数据
        mov buf+1,#0fch
        mov buf+2,#0h
        mov buf+3,#0h
        ret
con:    mov B,#5
        div AB
        mov B,#10
        div AB
        mov DPTR,#table1
        movc A,@A+DPTR
        mov buf+1,A
        mov A,B
        mov DPTR,#TABLE
        movc A,@A+DPTR
        mov buf,A
        ret
display:mov r0,#buf    ;显示
lop:    mov a,@r0
        acall sent
        inc r0
        cjne r0,#buf+8,lop
        acall delay
        ret
sent:   jnb li,$发送数据
        clr ti
        mov sbuf,a
        ret
delay:  mov r7,#230
d1:     mov r6,#13O
d2:     djnz r6,d2
        djnz r7,d1
        ret
table1: db 0fdh,61h,0dbh,0f3h,067h
        db 0b7h,0bfh,0e1h,0ffh,0e7h    ;带小数点的八段显示数据(0--9)
table1: 
        db 0fch        ;0
        db 060h        ;1
        db 0dah        ;2
        db 0f2h        ;3
        db 066h        ;4
        db 0b6h        ;5
        db 0beh        ;6
        db 0e0h        ;7
        db 0feh        ;8
        db 0f6h        ;9 ;不带小数点的八段显示数据
        end

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