支持SPI的開關(guān)和多路復(fù)用器減少設(shè)計數(shù)字GPIO數(shù)量

串行外設(shè)接口 （SPI） 是微控制器和外設(shè) IC（如傳感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM 等）之間使用最廣泛的接口之一。SPI是一個同步的、全雙工的主從接口。來自主站或從站的數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿同步。主站和從站都可以同時傳輸數(shù)據(jù)。SPI 接口可以是 3 線或 4 線。

本文簡要介紹了4線SPI接口，然后介紹了支持SPI的開關(guān)和多路復(fù)用器，它們有助于減少系統(tǒng)板設(shè)計中的數(shù)字GPIO數(shù)量。

界面

圖1.

帶主站和從站的SPI配置。

4線SPI器件有四個信號：

時鐘 （SPI CLK， SCLK）

芯片選擇 （CS）

主出，從入（MOSI）

主進(jìn)從出（味噌）

產(chǎn)生時鐘信號的設(shè)備稱為主設(shè)備。主站和從站之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主站生成的時鐘同步。與 I2C 接口相比，SPI 器件支持更高的時鐘頻率。用戶應(yīng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊，了解SPI接口的時鐘頻率規(guī)格。

SPI接口只能有一個主接口，并且可以有一個或多個從機(jī)。圖1顯示了主機(jī)和從設(shè)備之間的SPI連接。

來自主機(jī)的片選信號用于選擇從機(jī)。這通常是一個低電平有效信號，被拉高以斷開從機(jī)與SPI總線的連接。當(dāng)使用多個從站時，需要來自主機(jī)的每個從站單獨(dú)的片選信號。在本文中，片選信號始終為低電平有效信號。

MOSI和MISO是數(shù)據(jù)線。MOSI將數(shù)據(jù)從主設(shè)備傳輸?shù)綇脑O(shè)備，MISO將數(shù)據(jù)從從設(shè)備傳輸?shù)綇脑O(shè)備。

數(shù)據(jù)傳輸

要開始SPI通信，主機(jī)必須發(fā)送時鐘信號并通過使能CS信號來選擇從機(jī)。通常片選是低電平有效信號;因此，主站必須在此信號上發(fā)送邏輯 0 以選擇從站。

SPI 是一個全雙工接口;主站和從站可以分別通過MOSI和MISO線路同時發(fā)送數(shù)據(jù)。在SPI通信期間，數(shù)據(jù)同時被發(fā)送（串行移出到MOSI/SDO總線上）和接收（總線（MISO/SDI）上的數(shù)據(jù)被采樣或讀入）。串行時鐘邊沿同步數(shù)據(jù)的移位和采樣。SPI接口使用戶能夠靈活地選擇時鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（請參閱器件數(shù)據(jù)手冊以確定使用SPI接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)）。

時鐘極性和時鐘相位

在SPI中，主機(jī)可以選擇時鐘極性和時鐘相位。CPOL 位設(shè)置空閑狀態(tài)下時鐘信號的極性?？臻e狀態(tài)定義為 CS 在傳輸開始時為高并過渡到低電平的時間段，以及當(dāng) CS 為低并在傳輸結(jié)束時過渡到高電平的時間段。CPHA位選擇時鐘相位。

根據(jù)CPHA位，上升或下降時鐘邊沿用于采樣和/或移位數(shù)據(jù)。主機(jī)必須根據(jù)從機(jī)的要求選擇時鐘極性和時鐘相位。根據(jù)CPOL和CPHA位選擇，有四種SPI模式可用。表1顯示了四種SPI模式。

表 1.

具有CPOL和CPHA的SPI模式

圖2至圖5顯示了四種SPI模式下的通信示例。在這些示例中，數(shù)據(jù)顯示在 MOSI 和 MISO 行上。傳輸?shù)拈_始和結(jié)束用綠色虛線表示，采樣邊緣用橙色表示，移位邊緣用藍(lán)色表示。（請注意，這些數(shù)字僅供說明之用。為了成功進(jìn)行SPI通信，用戶必須參考產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊，并確保滿足器件的時序規(guī)格）。

圖2.

SPI 模式 0，CPOL = 0，CPHA = 0：CLK 空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，在下降沿移動。

圖3顯示了SPI模式1的時序圖。在此模式下，時鐘極性為0，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為低電平。此模式下的時鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿（由橙色虛線表示）上采樣，數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿（由藍(lán)色虛線表示）上偏移。

圖3.

SPI 模式 1，CPOL = 0，CPHA = 1：CLK 空閑狀態(tài) = 低電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣并在上升沿移動。

圖4顯示了SPI模式2的時序圖。在此模式下，時鐘極性為1，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿（由橙色虛線表示）上采樣，數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿（由藍(lán)色虛線表示）上偏移。

圖4.

SPI 模式 2，CPOL = 1，CPHA = 1：CLK 空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在下降沿采樣并在上升沿移動。

圖5顯示了SPI模式3的時序圖。在此模式下，時鐘極性為1，表示時鐘信號的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時鐘相位為0，表示數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿（由橙色虛線表示）上采樣，數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿（由藍(lán)色虛線表示）上偏移。

圖5.

SPI 模式 3，CPOL = 1，CPHA = 0：CLK 空閑狀態(tài) = 高電平，數(shù)據(jù)在上升沿采樣，在下降沿移動。

多從配置

多個從站可以與單個SPI主機(jī)一起使用。從站可以以常規(guī)模式或菊花鏈模式連接。

圖6.

多從SPI配置。

常規(guī) SPI 模式

在常規(guī)模式下，需要從主機(jī)為每個從站單獨(dú)選擇芯片。一旦片選信號被主器件使能（拉低），MOSI/MISO線路上的時鐘和數(shù)據(jù)就可供所選從機(jī)使用。如果使能多個片選信號，MISO線路上的數(shù)據(jù)就會損壞，因?yàn)橹鳈C(jī)無法識別哪個從機(jī)正在傳輸數(shù)據(jù)。

從圖6可以看出，隨著從站數(shù)量的增加，來自主機(jī)的片選線數(shù)量也會增加。這可以快速增加主站所需的輸入和輸出數(shù)量，并限制可以使用的從站數(shù)量。有不同的技術(shù)可用于增加常規(guī)模式下的從站數(shù)量;例如，使用多路復(fù)用器生成片選信號。

菊花鏈法

在菊花鏈模式下，從站的配置使得所有從站的片選信號連接在一起，數(shù)據(jù)從一個從站傳播到下一個從站。在這種配置中，所有從站同時接收相同的SPI時鐘。來自主站的數(shù)據(jù)直接連接到第一個從站，該從站向下一個從站提供數(shù)據(jù)，依此類推。

在這種方法中，當(dāng)數(shù)據(jù)從一個從站傳播到下一個從站時，傳輸數(shù)據(jù)所需的時鐘周期數(shù)與菊花鏈中的從站位置成正比。例如，在圖7中，在8位系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在第三個從機(jī)上可用需要24個時鐘脈沖，而在常規(guī)SPI模式下只有8個時鐘脈沖。

圖7.

多從SPI菊花鏈配置。

圖8顯示了通過菊花鏈傳播的時鐘周期和數(shù)據(jù)。并非所有 SPI 器件都支持菊花鏈模式（請參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)表以確認(rèn)菊花鏈?zhǔn)欠窨捎茫?/p>

圖8.

菊花鏈配置：數(shù)據(jù)傳播。

支持 SPI 的交換機(jī)和多路復(fù)用器

支持SPI的最新一代開關(guān)可顯著節(jié)省空間，而不會影響精密開關(guān)性能。本文的這一部分討論一個案例研究，說明支持 SPI 的交換機(jī)或多路復(fù)用器如何顯著簡化系統(tǒng)級設(shè)計并減少所需的 GPIO 數(shù)量。

ADG1412是一款四通道、單刀單擲（SPST）開關(guān)，需要將四個GPIO連接到每個開關(guān)的控制輸入端。圖9顯示了微控制器和一個ADG1412之間的連接。

圖9.

微控制器 GPIO 作為開關(guān)的控制信號。

隨著電路板上開關(guān)數(shù)量的增加，所需的 GPIO 數(shù)量顯著增加。

例如， 在 設(shè)計 測試 儀器 系統(tǒng) 時， 會 使用 大量 開關(guān) 來 增加 系統(tǒng) 中 的 通道 數(shù)量。在4×4交叉點(diǎn)矩陣配置中，使用四個ADG1412。該系統(tǒng)將需要 16 個 GPIO，限制了標(biāo)準(zhǔn)微控制器中可用的 GPIO。

圖10顯示了使用微控制器的16個GPIO連接四個ADG1412的過程。

圖 10.

在多從配置中，所需的 GPIO 數(shù)量大大增加。

減少 GPIO 數(shù)量的一種方法是使用串行至并行轉(zhuǎn)換器，如圖 11 所示。該器件輸出可連接到開關(guān)控制輸入的并行信號，并且可通過串行接口SPI進(jìn)行配置。這種方法的缺點(diǎn)是通過引入附加組件來增加物料清單。

圖 11.

使用串行至并行轉(zhuǎn)換器的多從開關(guān)。

另一種方法是使用 SPI 控制的開關(guān)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了所需的GPIO數(shù)量，還消除了額外的串行至并行轉(zhuǎn)換器的開銷。如圖12所示，只需7個微控制器GPIO即可向4個ADGS1412提供SPI信號，而不是16個微控制器GPIO。

圖 12.

支持 SPI 的開關(guān)可節(jié)省微控制器 GPIO。

交換機(jī)可以配置為菊花鏈配置，以進(jìn)一步優(yōu)化 GPIO 計數(shù)。在菊花鏈配置中，無論系統(tǒng)中使用的開關(guān)數(shù)量如何，主設(shè)備（微控制器）僅使用四個 GPIO。

圖 13 用于說明目的。ADGS1412數(shù)據(jù)手冊建議在SDO引腳上安裝上拉電阻（有關(guān)菊花鏈模式的更多詳細(xì)信息，請參閱ADGS1412數(shù)據(jù)手冊）。

圖 13.

支持以菊花鏈形式配置的交換機(jī)，以進(jìn)一步優(yōu)化 GPIO。

為簡單起見，此示例中使用了四個開關(guān)。隨著系統(tǒng)中開關(guān)數(shù)量的增加，電路板簡單和節(jié)省空間的好處是顯著的。支持ADI SPI的開關(guān)采用4×8交叉點(diǎn)配置，6層板上有8個四通道SPST開關(guān)，可減少20%的整體電路板空間。