基于SPI總線技術(shù)的同步422接口設(shè)計(jì)

謝俊聃，曹劍中

(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西西安710119)

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(duì)每個(gè)字符進(jìn)行開始和停止的操作，一旦檢測(cè)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[1]。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(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了保證能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)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(hào)由主機(jī)產(chǎn)生。接收數(shù)據(jù)的外設(shè)使用時(shí)鐘對(duì)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(hào):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)、CS或SS(外設(shè)片選或從機(jī)選擇)[2，3]。

MISO信號(hào)由從機(jī)在主機(jī)的控制下產(chǎn)生。SS信號(hào)用于禁止或使能外設(shè)的收發(fā)功能。SS為高電平時(shí)，禁止外設(shè)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；SS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(hào)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(hào)線返回給主機(jī)(如圖2所示)[4，5]。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。

圖1 微處理器通過SPI接口與外設(shè)進(jìn)行連接

圖2 SPI的數(shù)據(jù)傳輸

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(chǔ)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(huì)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(cè)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。

雖然SPI有以上優(yōu)點(diǎn)，然而在圖像傳輸中卻很少用到，原因主要是其抗干擾能力差。SPI采用的是單端非平衡的傳輸方式，即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的電壓電平是以公共地作為參考的。在這種傳輸方式中，對(duì)于已進(jìn)入信號(hào)中的干擾是無法消除和減弱的。而信號(hào)在傳輸過程中總會(huì)受到干擾，而且距離越長干擾越嚴(yán)重，以致于信號(hào)傳輸產(chǎn)生錯(cuò)誤。在這種條件下，信號(hào)傳輸就變得毫無意義了。另外，由于單端非平衡傳輸方式以公共地作為參考點(diǎn)，地線作為信號(hào)回流線，因此也存在信號(hào)電流。當(dāng)傳輸線兩端的系統(tǒng)之間存在交流電位差時(shí)，這個(gè)電位差將直接竄到信號(hào)中，形成噪聲干擾[6]。所以，為了解決抗干擾問題，通常采用平衡傳輸(balanced transmission)方式，這里采用比較常見的RS-422。

2 RS-422簡介

RS-422標(biāo)準(zhǔn)是RS-232的改進(jìn)型，全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”。它使用兩根線之間的電壓差來代表邏輯電平，通常稱之為雙絞線。它是一種平衡傳輸，任何噪聲或干擾都會(huì)同時(shí)影響兩根雙絞線中的每一根，但對(duì)二者之間的差異影響很小，這種現(xiàn)象稱為共模抑制。所以RS-422可以在更遠(yuǎn)的距離上以更快的速度傳輸數(shù)據(jù)，其抗干擾能力遠(yuǎn)強(qiáng)于RS-232、SPI等非平衡傳輸方式。其最大傳輸距離約1 200 m，最大傳輸速度可達(dá)10 Mb/s。但是由于線路過長造成損耗，其傳輸速率會(huì)隨著距離的增加而下降。

圖3是RS-422的基本連接示意圖。驅(qū)動(dòng)器D通過雙絞線和接收器R連接。位于雙絞線接收端的電阻Rt是一個(gè)終止電阻，它用來消除在遠(yuǎn)距離傳輸過程中發(fā)生的信號(hào)反射。但在300 m以下的短距離傳輸中可以不接該電阻[7]。

RS-422標(biāo)準(zhǔn)允許相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接10個(gè)，即一個(gè)主設(shè)備、10個(gè)從設(shè)備，從設(shè)備之間不能通信[8]。RS-422支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向通信。由于它的接口采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必需的信號(hào)交換均可以通過軟件方式或硬件方式實(shí)現(xiàn)。

RS-422雙絞線之間的電壓差在4 V～12 V之間。其邏輯電平定義為:在發(fā)送端，以雙絞線之間電壓差為＋2 V～＋6 V表示邏輯1，以－2 V～－6 V表示邏輯0；在接收端，雙絞線之間電壓差大于200 mV時(shí)為邏輯1，小于－200 mV時(shí)為邏輯0[8]。

3 S3C2450X的SPI接口

S3C2450X[9]是SAMSUNG公司最近推出的一款高性能、低功耗16/32 bit RISC處理器，其最高主頻可達(dá)533 MHz，一般工作頻率為400 MHz。它采用ARM926EJ內(nèi)核，該內(nèi)核采用MMU、AMBA總線和哈佛高速緩存體系結(jié)構(gòu)，具有單獨(dú)的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，每個(gè)Cache都由8字長的行組成。為了降低成本，片上集成了各種常用模塊，包括NAND Flash Bootloader、系統(tǒng)管理器、PLL時(shí)鐘發(fā)生器、PWM定時(shí)器、8通道DMA和多種接口控制器等，這樣可以使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)電路時(shí)省去許多專門的接口控制芯片，不僅降低了成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。

S3C2450X集成了2個(gè)高速SPI接口，每個(gè)接口都有2個(gè)8/16/32 bit的移位寄存器分別用于發(fā)送(Tx FIFO)和接收(Rx FIFO)數(shù)據(jù)。在發(fā)送時(shí)，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(HS_SPI_Tx_DATA)中，數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)移入Tx FIFO；在接收數(shù)據(jù)時(shí)，為了從Rx FIFO中讀出數(shù)據(jù)，CPU訪問SPI數(shù)據(jù)接收寄存器(HS_SPI_Rx_DATA)，此時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到HS_SPI_Rx_DATA中。

S3C2450X的SPI接口支持主模式和從模式兩種傳輸方式。在主模式下，同步時(shí)鐘SPICLK由S3C2450X產(chǎn)生并傳輸給外圍設(shè)備。此時(shí)，通過設(shè)置時(shí)鐘配置寄存器(Clk_CFG)可以調(diào)整同步時(shí)鐘SPICLK的頻率，從而改變數(shù)據(jù)傳輸率。SPI有3個(gè)可用時(shí)鐘源:內(nèi)部時(shí)鐘源PCLK，外部時(shí)鐘源Epll clock和USBCLK。其同步時(shí)鐘計(jì)算公式為:

其中f是所選時(shí)鐘源的頻率，預(yù)分頻值的取值范圍是0～255。若取f＝400 MHz，則同步時(shí)鐘頻率最大可達(dá)200 MHz，其傳輸速率理論上接近200 Mb/s。但由于受到內(nèi)部寄存器和外部接口等其他因素限制，再加上傳輸速率太高時(shí)，由傳輸延時(shí)造成的影響越來越明顯，從而會(huì)引起傳輸錯(cuò)誤，所以其實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸率不會(huì)很高，一般只有幾Mb/s。

4 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于RS-422采用的電平與SPI不同，所以必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片。這里采用MAXIM公司的MAX3088[10]。這是一款用于RS-422通信的一路高速低功耗電平轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片，半雙工通信，傳輸速率最大可達(dá)10 Mb/s。它有8個(gè)引腳:5號(hào)引腳為電源引腳，8號(hào)引腳為接地引腳，6號(hào)(A)、7號(hào)(B)是差分信號(hào)引腳。其他幾個(gè)引腳分別為:1(RO)是接收器輸出；2(RE)是接收器輸出使能，3(DE)是驅(qū)動(dòng)器輸出使能，4(DI)是驅(qū)動(dòng)器輸入。要使其工作在發(fā)送模式，只需將RE和DE同時(shí)置1，此時(shí)，若輸入DI為1，則輸出的A為1，B為0；若DI為0，則A為0，B為1。它與S3C2450X的連接圖如圖4所示。

圖4中將S3C2450X的SPICLK0和SPIMOSI0引腳分別接到2個(gè)MAX3088的DI引腳上，DE和RE接5 V直流電源，A和B為差分信號(hào)對(duì)輸出，C1、C2為旁路電容。由于只使用SPI的發(fā)送功能，所以忽略了SPIMISO0引腳。

5 接口電路調(diào)試

由于RS-422只是規(guī)定了電壓標(biāo)準(zhǔn)而無具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，所以接口的軟件調(diào)試主要是對(duì)S3C2450X的SPI模塊進(jìn)行設(shè)置。其具體編程步驟如下:

(1)通過SPI配置寄存器CH_CFG設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸格式。

(2)設(shè)置時(shí)鐘配置寄存器Clk_CFG，決定同步時(shí)鐘頻率。

(3)設(shè)置SPI模式寄存器MODE_CFG，包括傳送數(shù)據(jù)的單位以及是否啟用DMA模式等。

(4)設(shè)置中斷使能寄存器，包括是否響應(yīng)FIFO溢出以及為空時(shí)所產(chǎn)生的中斷等。

(5)通過設(shè)置CH_CFG中的RxChOn和TxChOn打開數(shù)據(jù)傳輸通道。

(6)發(fā)送數(shù)據(jù)，檢查發(fā)送準(zhǔn)備好標(biāo)志(TxFifoRdy＝1)，然后寫數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器TX_DATA。

(7)接收數(shù)據(jù)，檢查接收準(zhǔn)備好標(biāo)志(RxFifoRdy＝1)，接著數(shù)據(jù)接收寄存器RX_DATA自動(dòng)從讀緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù)，之后從RX_DATA中讀數(shù)據(jù)。

將S3C2450X產(chǎn)生的SPIMOSI信號(hào)傳輸至驅(qū)動(dòng)芯片MAX3088,用示波器測(cè)得轉(zhuǎn)換前后信號(hào)的波形如圖5所示。

從圖5中可以看出轉(zhuǎn)換后的2個(gè)差分信號(hào)VA和VB之差與轉(zhuǎn)換前的單端信號(hào)DI保持了邏輯上的一致，只是由于芯片在信號(hào)轉(zhuǎn)換中需要耗時(shí)，所以產(chǎn)生了約25 ns的延時(shí)。

通過將SPI總線由單端不平衡傳輸轉(zhuǎn)換為雙端平衡傳輸，解決了SPI信號(hào)易受干擾的問題。又由于其同步通信的高效性使得它非常適用于圖像傳輸。另外，如果對(duì)傳輸速率的要求不是太高，則RS-422也可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這大大擴(kuò)展了SPI器件的使用范圍。隨著技術(shù)的發(fā)展，以RS-422為代表的雙端平衡傳輸模式將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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