基于SPI總線技術(shù)的同步422接口設(shè)計(jì)

摘 要： 以SPI總線技術(shù)為基礎(chǔ)，用微控制器S3C2450X和電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3088設(shè)計(jì)了一個(gè)RS-422接口電路，將SPI單端非平衡傳輸信號轉(zhuǎn)換為RS-422差分信號。在保證SPI同步傳輸?shù)母咝院透咚傩缘耐瑫r(shí)，還增強(qiáng)了信號的抗干擾能力。

同步傳輸(Synchronous Transmission)是一種發(fā)送方與接收方都采用相同時(shí)鐘頻率的傳輸方式。具體來說，就是把要傳輸?shù)囊唤M數(shù)據(jù)組合成一幀，每一幀的開頭部分是一組同步字符，用于通知接收方一個(gè)幀已經(jīng)到達(dá)，但它同時(shí)還能確保接收方的采樣速度和比特的到達(dá)速度一致，使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。幀的結(jié)尾部分是一個(gè)幀結(jié)束標(biāo)記，用于表示在下一幀開始之前沒有其他即將到達(dá)的數(shù)據(jù)了。接收方不必對每個(gè)字符進(jìn)行開始和停止的操作，一旦檢測到幀同步字符，就在接下來的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)接收它們。因此，與異步傳輸相比，具有很高的傳輸速度。而且，由于沒有在傳輸?shù)拿總€(gè)字符中都加入起始位和結(jié)束位，所以同步傳輸?shù)拈_銷比異步傳輸要小得多，通常前者的數(shù)據(jù)增值只有2.5%左右，而后者的高達(dá)25%。所以，在高速通信中一般都采用同步傳輸方式。

由于圖像的數(shù)據(jù)量一般很大，所以圖像數(shù)據(jù)的傳輸都是高速傳輸。在某實(shí)時(shí)圖像存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了保證能夠?qū)崟r(shí)存儲圖像，需要在以S3C2450X為MCU的嵌入式系統(tǒng)中采用同步422接口向外傳輸圖像數(shù)據(jù)。由于S3C2450X的UART接口不支持同步串行通信模式，所以采用了將SPI外圍總線轉(zhuǎn)換為同步422接口的設(shè)計(jì)方法。

1 SPI基本原理與結(jié)構(gòu)

串行外圍設(shè)備接口(SPI)是由Motorola公司開發(fā)的、用來在微控制器和外圍設(shè)備芯片之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的低成本、易使用接口。與標(biāo)準(zhǔn)的串行接口不同，SPI是一個(gè)同步協(xié)議接口，全雙工通信，所有的傳輸都參照一個(gè)共同的時(shí)鐘，這個(gè)同步時(shí)鐘信號由主機(jī)產(chǎn)生。接收數(shù)據(jù)的外設(shè)使用時(shí)鐘對串行比特流的接收進(jìn)行同步化。其傳輸速度可達(dá)幾Mb/s。

SPI主要使用4個(gè)信號：MISO(主機(jī)輸入/從機(jī)輸出)、MOSI(主機(jī)輸出/從機(jī)輸入)、 SCLK(串行時(shí)鐘)、或(外設(shè)片選或從機(jī)選擇)。

MISO信號由從機(jī)在主機(jī)的控制下產(chǎn)生。信號用于禁止或使能外設(shè)的收發(fā)功能。為高電平時(shí)，禁止外設(shè)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；為低電平時(shí)，允許外設(shè)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1所示是微處理器通過SPI與外設(shè)連接的示意圖。


主機(jī)和從機(jī)都有一個(gè)串行移位寄存器，主機(jī)通過向它的SPI串行寄存器寫入一個(gè)字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器通過MOSI信號線將字節(jié)傳送給從機(jī)，從機(jī)也將自己的移位寄存器中的內(nèi)容通過MISO信號線返回給主機(jī)(如圖2所示)。這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就被交換。外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。


如果只進(jìn)行寫操作，主機(jī)只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機(jī)要讀取從機(jī)的一個(gè)字節(jié)，就必須發(fā)送一個(gè)空字節(jié)來引發(fā)從機(jī)的傳輸。

當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流時(shí)，有些外設(shè)能夠進(jìn)行多字節(jié)傳輸。多數(shù)具有SPI接口的存儲芯片就以這種方式工作。在這種傳輸方式下，從機(jī)的片選端必須在整個(gè)傳輸過程中保持低電平。此時(shí)，一次傳輸可能會涉及到成千上萬字節(jié)的信息，而不必在每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送的前后都去檢測其起始位和結(jié)束位，這正是同步傳輸方式優(yōu)于異步傳輸方式的原因所在。