SPI接口簡(jiǎn)介 如何減少系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)中的數(shù)字GPIO數(shù)量

串行外設(shè)接口（SPI）是微控制器和外圍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。本文先簡(jiǎn)要說明SPI接口，然后介紹ADI公司支持SPI的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器，以及它們?nèi)绾螏椭鷾p少系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)中的數(shù)字GPIO數(shù)量。

SPI是一種同步、全雙工、主從式接口。來自主機(jī)或從機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿同步。主機(jī)和從機(jī)可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。SPI接口可以是3線式或4線式。本文重點(diǎn)介紹常用的4線SPI接口。

接口

圖1.含主機(jī)和從機(jī)的SPI配置

4線SPI器件有四個(gè)信號(hào)：

• 時(shí)鐘（SPI CLK，SCLK）
• 片選（CS）
• 主機(jī)輸出、從機(jī)輸入（MOSI）
• 主機(jī)輸入、從機(jī)輸出（MISO）

產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的器件稱為主機(jī)。主機(jī)和從機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的時(shí)鐘頻率。用戶應(yīng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)以了解SPI接口的時(shí)鐘頻率規(guī)格。

SPI接口只能有一個(gè)主機(jī)，但可以有一個(gè)或多個(gè)從機(jī)。圖1顯示了主機(jī)和從機(jī)之間的SPI連接。

來自主機(jī)的片選信號(hào)用于選擇從機(jī)。這通常是一個(gè)低電平有效信號(hào)，拉高時(shí)從機(jī)與SPI總線斷開連接。當(dāng)使用多個(gè)從機(jī)時(shí)，主機(jī)需要為每個(gè)從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號(hào)。本文中的片選信號(hào)始終是低電平有效信號(hào)。

MOSI和MISO是數(shù)據(jù)線。MOSI將數(shù)據(jù)從主機(jī)發(fā)送到從機(jī)，MISO將數(shù)據(jù)從從機(jī)發(fā)送到主機(jī)。

數(shù)據(jù)傳輸

要開始SPI通信，主機(jī)必須發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，并通過使能CS信號(hào)選擇從機(jī)。片選通常是低電平有效信號(hào)。因此，主機(jī)必須在該信號(hào)上發(fā)送邏輯0以選擇從機(jī)。SPI是全雙工接口，主機(jī)和從機(jī)可以分別通過MOSI和MISO線路同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。在SPI通信期間，數(shù)據(jù)的發(fā)送（串行移出到MOSI/SDO總線上）和接收（采樣或讀入總線（MISO/SDI）上的數(shù)據(jù)）同時(shí)進(jìn)行。串行時(shí)鐘沿同步數(shù)據(jù)的移位和采樣。SPI接口允許用戶靈活選擇時(shí)鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。欲確定使用SPI接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。

時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位

在SPI中，主機(jī)可以選擇時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。在空閑狀態(tài)期間，CPOL位設(shè)置時(shí)鐘信號(hào)的極性?？臻e狀態(tài)是指?jìng)鬏旈_始時(shí)CS為高電平且在向低電平轉(zhuǎn)變的期間，以及傳輸結(jié)束時(shí)CS為低電平且在向高電平轉(zhuǎn)變的期間。CPHA位選擇時(shí)鐘相位。根據(jù)CPHA位的狀態(tài)，使用時(shí)鐘上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。主機(jī)必須根據(jù)從機(jī)的要求選擇時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。根據(jù)CPOL和CPHA位的選擇，有四種SPI模式可用。表1顯示了這4種SPI模式。

表1.通過CPOL和CPHA選擇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線上。傳輸?shù)拈_始和結(jié)束用綠色虛線表示，采樣邊沿用橙色虛線表示，移位邊沿用藍(lán)色虛線表示。請(qǐng)注意，這些圖形僅供參考。要成功進(jìn)行SPI通信，用戶須參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)并確保滿足器件的時(shí)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，并在下降沿移出。

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，并在上升沿移出。

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，并在上升沿移出。

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，并在下降沿移出。

圖3給出了SPI模式1的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為0，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為低電平。此模式下的時(shí)鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

圖4給出了SPI模式2的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為1，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時(shí)鐘相位為1，表示數(shù)據(jù)在下降沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

圖5給出了SPI模式3的時(shí)序圖。在此模式下，時(shí)鐘極性為1，表示時(shí)鐘信號(hào)的空閑狀態(tài)為高電平。此模式下的時(shí)鐘相位為0，表示數(shù)據(jù)在上升沿采樣（由橙色虛線顯示），并且數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿移出（由藍(lán)色虛線顯示）。

多從機(jī)配置

多個(gè)從機(jī)可與單個(gè)SPI主機(jī)一起使用。從機(jī)可以采用常規(guī)模式連接，或采用菊花鏈模式連接。

圖6.多從機(jī)SPI配置

常規(guī)SPI模式：

在常規(guī)模式下，主機(jī)需要為每個(gè)從機(jī)提供單獨(dú)的片選信號(hào)。一旦主機(jī)使能（拉低）片選信號(hào)，MOSI/MISO線上的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)便可用于所選的從機(jī)。如果使能多個(gè)片選信號(hào)，則MISO線上的數(shù)據(jù)會(huì)被破壞，因?yàn)橹鳈C(jī)無法識(shí)別哪個(gè)從機(jī)正在傳輸數(shù)據(jù)。

從圖6可以看出，隨著從機(jī)數(shù)量的增加，來自主機(jī)的片選線的數(shù)量也增加。這會(huì)快速增加主機(jī)需要提供的輸入和輸出數(shù)量，并限制可以使用的從機(jī)數(shù)量?？梢允褂闷渌夹g(shù)來增加常規(guī)模式下的從機(jī)數(shù)量，例如使用多路復(fù)用器產(chǎn)生片選信號(hào)。

菊花鏈模式：

圖7.多從機(jī)SPI菊花鏈配置

在菊花鏈模式下，所有從機(jī)的片選信號(hào)連接在一起，數(shù)據(jù)從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī)。在此配置中，所有從機(jī)同時(shí)接收同一SPI時(shí)鐘。來自主機(jī)的數(shù)據(jù)直接送到第一個(gè)從機(jī)，該從機(jī)將數(shù)據(jù)提供給下一個(gè)從機(jī)，依此類推。

使用該方法時(shí)，由于數(shù)據(jù)是從一個(gè)從機(jī)傳播到下一個(gè)從機(jī)，所以傳輸數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘周期數(shù)與菊花鏈中的從機(jī)位置成比例。例如在圖7所示的8位系統(tǒng)中，為使第3個(gè)從機(jī)能夠獲得數(shù)據(jù)，需要24個(gè)時(shí)鐘脈沖，而常規(guī)SPI模式下只需8個(gè)時(shí)鐘脈沖。圖8顯示了時(shí)鐘周期和通過菊花鏈的數(shù)據(jù)傳播。并非所有SPI器件都支持菊花鏈模式。請(qǐng)參閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)以確認(rèn)菊花鏈?zhǔn)欠窨捎谩?/p>

圖8.菊花鏈配置：數(shù)據(jù)傳播

ADI公司支持SPI的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器

ADI公司最新一代支持SPI的開關(guān)可在不影響精密開關(guān)性能的情況下顯著節(jié)省空間。本文的這一部分將討論一個(gè)案例研究，說明支持SPI的開關(guān)或多路復(fù)用器如何能夠大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)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)，需要四個(gè)GPIO連接到每個(gè)開關(guān)的控制輸入。圖9顯示了微控制器和一個(gè)ADG1412之間的連接。

圖9.微控制器GPIO用作開關(guān)的控制信號(hào)。

隨著電路板上開關(guān)數(shù)量的增加，所需GPIO的數(shù)量也會(huì)顯著增加。例如，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試儀器系統(tǒng)時(shí)，會(huì)使用大量開關(guān)來增加系統(tǒng)中的通道數(shù)。在4×4交叉點(diǎn)矩陣配置中，使用四個(gè)ADG1412。此系統(tǒng)需要16個(gè)GPIO，限制了標(biāo)準(zhǔn)微控制器中的可用GPIO。圖10顯示了使用微控制器的16個(gè)GPIO連接四個(gè)ADG1412。

為了減少GPIO數(shù)量，一種方法是使用串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器，如圖11所示。該器件輸出的并行信號(hào)可連接到開關(guān)控制輸入，器件可通過串行接口SPI配置。此方法的缺點(diǎn)是外加器件會(huì)導(dǎo)致物料清單增加。

另一種方法是使用SPI控制的開關(guān)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可減少所需GPIO的數(shù)量，并且還能消除外加串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器的開銷。如圖12所示，不需要16個(gè)微控制器GPIO，只需要7個(gè)微控制器GPIO就可以向4個(gè)ADGS1412提供SPI信號(hào)。

開關(guān)可采用菊花鏈配置，以進(jìn)一步優(yōu)化GPIO數(shù)量。在菊花鏈配置中，無論系統(tǒng)使用多少開關(guān)，都只使用主機(jī)（微控制器）的四個(gè)GPIO。

圖10.在多從機(jī)配置中，所需GPIO的數(shù)量大幅增加。

圖11.使用串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器的多從機(jī)開關(guān)

圖12.支持SPI的開關(guān)節(jié)省微控制器GPIO

圖13.菊花鏈配置的SPI開關(guān)可進(jìn)一步優(yōu)化GPIO。

圖13用于說明目的。ADGS1412數(shù)據(jù)手冊(cè)建議在SDO引腳上使用一個(gè)上拉電阻。有關(guān)菊花鏈模式的更多信息，請(qǐng)參閱ADGS1412數(shù)據(jù)手冊(cè)。為簡(jiǎn)單起見，此示例使用了四個(gè)開關(guān)。隨著系統(tǒng)中開關(guān)數(shù)量的增加，電路板簡(jiǎn)單和節(jié)省空間的優(yōu)點(diǎn)很重要。在6層電路板上放置8個(gè)四通道SPST開關(guān)，采用4×8交叉點(diǎn)配置時(shí)，ADI公司支持SPI的開關(guān)可節(jié)省20%的總電路板空間。文章“精密SPI開關(guān)配置提高通道密度”詳細(xì)說明了精密SPI開關(guān)配置如何提高通道密度。

ADI公司提供多種支持SPI的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器。

參考文獻(xiàn)

ADuCM3029數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADI公司，2017年3月。

Nugent，Stephen。“精密SPI開關(guān)配置提高通道密度”。《模擬對(duì)話》，2017年5月。

Usach， Miguel。應(yīng)用筆記AN-1248：SPI接口。ADI公司，2015年9月。

Piyu Dhaker ［piyu.dhaker@analog.com］是ADI公司北美核心應(yīng)用部門的應(yīng)用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。2017年6月加入北美核心應(yīng)用部門。此前，她也在ADI公司的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)部門和電源管理部門工作過。

Piyu Dhaker