基于LPC2103的SPI总线技术的应用

    SPI( Serial Peripheral Interface) 总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口, 允许MCU与各种外围器件以串行方式进行通信、数据交换。SPI可以同时发出和接收串行数据, 它只需4条线就可以完成MCU与各种外围器件的通信。一般使用的4条线为：串行时钟线SCK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SSEL。这些外围器件可以是简单的TTL移位寄存器、复杂的LCD显示驱动器、Flash、RAM、A/D转换器、网络控制器及其他MCU等^[1]。
    本文给出了一种基于SPI总线的LPC2103控制外围LED显示的设计方法。利用74HC595驱动静态共阳LED数码管，使用串转并的方式实现I/O口的扩展。
1 LPC2103中的SPI功能特性
    LPC2103是一个基于支持实时仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，内部具有2个完全独立的SPI控制器，采用全双工的数据通信方式，最大数据位速率为外设时钟Fpclk的1/8。与SPI总线接口有关的专用寄存器有：(1)SPCR控制寄存器。该寄存器包含一些可编程位来控制SPI总线的功能，而且在数据传输之前进行设定，主要有时钟相位控制、时钟极性控制、主从模式选择、字节传输移动方向及SPI中断使能；(2)SPSR状态寄存器(为只读寄存器)。用于监视SPI功能模块的状态，包括一般性功能和异常情况。主要用途是检测数据传输是否完成，通过判断SPIF位来实现，其他位用于指示异常情况；(3)SPDR数据寄存器。为SPI提供数据的发送和接收，处于主模式时，向该寄存器写入数据，将启动SPI数据传输。串行数据的发送和接收通过内部移位寄存器来实现；(4)SPCCR时钟计数器寄存器。用于设置SPI时钟分频值，SPI处于主模式时，该寄存器用于控制时钟速率，即SPI总线速率，寄存器值为1位SCK时钟所占用的PCLK周期数，并且值为偶数，必须不小于8；(5)SPINT中断标志寄存器。包含了SPI的中断标志位，由数据传输完成及发生模式错误来引发^[2]。
1.1 SPI电气连接
    利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统，如1个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统(分布式系统)、1个主MCU和1个或几个从I/O设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合, 可使用1个MCU 作为主机来控制数据，并向1个或几个从外围器件传送该数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。同一时刻只允许有1个主机操作总线。在数据传输过程中，总线上只能有1个主机和1个从机通信。在一次数据传输中，主机总是向从机发送1个字节数据，而从机也总是向主机发送1个字节数据^[3]。图1为SPI在主模式下控制2个SPI从机的硬件连接图。

1.2 SPI数据传输
    在SPI数据传输中，SPCR控制寄存器的CPHA和CPOL位作用非常关键。CPHA为时钟相位控制，该位决定SPI传输时数据和时钟的关系，并控制从机传输的起始和结束，该位为1，时钟前沿数据输出，后沿数据采样；为0，时钟前沿数据采样，后沿数据输出。CPOL为时钟极性控制，为1时，SCK为低电平有效；为0时，SCK为高电平有效^[4]。
    图2为SPI的4种不同数据传输格式时序，描述的是8位数据传输。该时序图水平方向分成3部分：(1)描述SCK和SSEL信号；(2)描述CPHA为0时的MOSI和MISO信号；(3)描述CPHA为1时的MOSI和MISO信号。SSEL信号为低电平，说明SPI工作在从模式。其中，MOSI和MISO信号中的bit1～bit8表示传输的第几位数据。

2 74HC595扩展I/O接口电路
    SPI是一个串行输入输出的接口，使用串转并的接口芯片可以实现扩展I/O口。74HC595芯片为一种常用的8位串转并移位寄存器芯片，本系统利用74HC595来驱动静态共阳LED数码管。74HC595的主要优点：具有数据存储寄存器，在移位过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。LPC2103工作在SPI主模式下。
    图3为74HC595逻辑图。图中，SI为串行数据输入引脚，用来连接LPC2103的MOSI功能引脚；SCK为移位寄存器的时钟输入，连接LPC2103串行时钟线SCK；为清移位寄存器引脚；RCK为锁寄存器锁存时钟引脚；即输出触发端与SSEL连接；为输出使能引脚；SQ_H为串行数据输出引脚，连接MISO；Q_A～Q_H引脚为并行输出。当为高电平、使能接低时，SCK产生一个上升沿，SI引脚当前电平值将在移位寄存器中左移1位，在下一个上升沿到来时移位寄存器中的所有位都会向左移1位，同时SQ_H引脚也会串行输出移位寄存器中的高位的值。当RCK产生上升沿时，移位寄存器的值将会被锁存到锁存器里，并从Q_A～Q_H引脚输出。

    图4为SPI接口与74HC595的连接原理图。其中Q_A～Q_H分别连接共阳LED数码管的8个段。在SPI输出1个字节的数据时，SSEL产生1个低电平，SPI主机串行地发该字节的各个位，各个位都依次被锁存在74HC595的移位寄存器内，当1个字节的数据传输完成后，SSEL由低电平变为高电平，从而使74HC595的移位寄存器的值被锁存到74HC595的锁存器并从其Q_A～Q_H引脚输出；在SPI输出1个字节数据的同时，74HC595移位寄存器之前的值也通过MISO引脚被SPI主机读回。

3  软件设计^[5]
    软件设计包括：进行I/O口初始化，设置SPI引脚连接，启用LPC2103的SPI 0总线，设置GPIO的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7为SPI 0总线的SCK0、MISO0、MOSI0、SSEL0特殊功能，置74HC595片选端的I/O口为输出功能。其代码如下：
    PINSEL0=0x00005500;  //设置SPI引脚连接
    PINSEL1=0x00000000;
    IODIR=HC595_CS;  //设置片选端I/O口为输出
3.1 SPI总线操作初始化
    图5为SPI总线操作流程图。使用LPC2103的SPI总线主模式下实现对74HC595的数据传输，用来驱动外围LED数码管。设置SPI时钟，在SPI主模式下，SPCCR寄存器控制SCK的频率，SPI速率为Fpclk / SPCCR。通过SPCR控制寄存器设置时钟相位、时钟极性、主模式控制、字节移动方向及SPI中断使能等。代码实现如下：

    Void MSpiIni(void)
    {  SPI_SPCCR = 0x52;  //设置SPI时钟分频
       SPI_SPCR  = (0<<3)|  //CPHA=0,数据再从SCK的第一时钟沿采样
               (1<<4)|   //CPOL=1,SCK为低有效
               (1<<5)|   //MSTR=1,SPI处于主模式
               (0<<6)|   //LSBF=0，SPI数据传输MSB(位7)在先
               (0<<7);   //SPIE=0，SPI中断被禁止
    }
3.2 SPI总线主模式下数据发送过程
    首先选择从机，设置片选。选择74HC595为从机，置片选端SSEL为低有效。将发送的数据写入SPDR，发送出去。等待SPIF置位，即数据发送完毕。最后可从SPDR读取收到的数据。以下为发送函数：
    uint8 MSendData(uint8 data)
    {    IOCLR=HC595_CS;   //片选端，由LPC2103指定的I/O口置位
         SPI_SPDR=data;
         while(0==(SPI_SPSR&0x80));    //等待SPIF置位，即等待数据发送完毕
         IOSET=HC595_CS;  //片选置高无效，结束发送
         return(SPI_SPDR);   //返回接收到的数据
    }
3.3 控制LED数码管主函数
    主函数使用LPC2103的SPI接口输出给74HC595，用来控制LED数码管显示。DISP_TAB[ ]为LED显示0-F字模的16进制码表。MSendData( )实现每一字节数据的发送。
    #define   HC595_CS    0x00000100         //P0.8口为74HC595的片选
    uint8 const DISP_TAB[16]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E};
    int main(void)
    {   uint8 rcv_data;
    uint8 i;
    PINSEL0=0x00005500;     //设置SPI引脚连接
    PINSEL1=0x00000000;
    IODIR=HC595_CS;             //设置LPC2103片选I/O口为输出功能
    MSpiIni( );                          //初始化SPI接口
    while(1)
    { for (i=0;i<16;i++)
         {rcv_data=MSendData(DISP_TAB[i]);   //发送显示数据
          DelayNS(50);                      //延时
　       }
    }
       return(0);
　}
    基于SPI总线的数据通信技术已经广泛应用在MCU与各种外围设备的串行通信中。如存储系统、A/D转换系统、网络控制器和多MCU构成的分布式系统。本文给出了74HC595芯片驱动LED数码管显示的电路，采用SPI总线技术实现对LED显示的数据传输，方便快捷、准确性高、速度快，满足了复杂微控制系统对外围设备控制的要求。