2020年02月04日 | PIC单片机之SPI总线篇

大家好，通过前一期的学习，我们已经对ICD2 仿真烧写器和增强型PIC 实验板的使用方法及学习方式有所了解与熟悉，现在我们就趁热打铁，再向上跨一步，一起来学习一下SPI 总线器的工作原理及使用方法，这样我们可以将一些需要保存的数据保存到存储器芯片中，掉电不会失丢，如汽车的里程表，它在不断地计数，其公里数就是放在一个SPI 总线的存储器芯片里面。

一、SPI总线基本概念

SPI （ Serial Peripheral Interface ———串行外设接口） 总线是Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术。SPI 总线系统是一种同步串行外设接口， 允许MCU 与各种外围设备（ 如闪存、数摸转换、网络控制器、从MCU） 以串行方式进行通信、数据交换。

SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB 的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。其工作模式有两种：主模式和从模式。SPI 是一种允许一个主设备启动一个从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。

也就是SPI 是一种规定好的通讯方式。这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4 根就够基本通讯了（不算电源线）。同时传输速度也很高。一般来说要求主设备要有SPI 控制器（也可用模拟方式），就可以与基于SPI 的芯片通讯了。

二、SPI总线系统结构

SPI 系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口， 一般使用4 条线： 串行时钟线（SCK） 、主机输入/ 从机输出数据线SDO、主机输出/ 从机输入数据线SDI 和低电平有效的从机选择线SS。SDI 和SDO 用于串行接收和发送数据，数据高位在前低位在后。在SPI 设置为主机方式时，SDO 是主机读从机，SDI 是主机写从机。SCK 用于提供时钟脉冲将数据一位位地传送。SPI 总线器件间传送数据框图如图1 所示。

三、SPI总线的接口特性

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 作为主控机来控制数据，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。其数据的传输格式总是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。

当一个主控机通过SPI 与几种不同的串行I ／ O 芯片相连时，必须使用每片的允许控制端，这可通过MCU 的I ／ O 端口输出线来实现。

但应特别注意这些串行I ／ O 芯片的输入输出特性：首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯片时，输出端应处于高阻态。若没有三态控制端，则应外加三态门。否则MCU 的MISO端只能连接一个外设。其次是外设的串行数据输入是否有允许控制端。

因为只有在此芯片允许时，SCK 脉冲才把串行数据移入该外设；在禁止时，SCK 对外设无影响。若原来没有允许控制端，则增加控制门；当然，也可以在SPI 总线上只连接1 个外设，就不必用允许控制。

通过前文的原理介绍，我们已经对SPI 总线的特性以及工作原理有了大致地了解，但当我们拿到一个SPI 总线器件时要正确地应用它，还是一时不知如何下手，比如我们现在要想把一个具体的数据存储放器件中去，需要怎么办呢？现在，我们来一起看一个数据存储的例子，通过一个实例，相信会给大家带来一个感性的认识，下面就以目前单片机系统中广泛应用的SPI 接口的数据存储器93C46 为例，介绍SPI器件的基本应用。

四、93C46串行存储器简介

93C46 是1k 位串行EEPROM 储存器。

每一个储存器都可以通过DI/DO 引脚写入或读出。它的存储容量为1024 位，内部为128×8位或64×16 位。93C46 为串行三线SPI 操作芯片，在时钟时序的同步下接收数据口的指令。

指令码为9 位十进制码，具有7 个指令，读、擦写使能、擦除、写、全擦、全写及擦除禁止。该芯片擦写时间快，有擦写使能保护，可靠性高，擦写次数可达100 万次， 93C46 的引脚功能图如图2 所示。

图2 93C46 的引脚图

表1 ：93C46 串行EEPROM 指令格式选择表

指令说明：

① 读（READ）：当下达10XXXXXX 指令后，地址（XXXXXXXX） 的数据在SCK=1 时由DO输出。

② 写（WRITE）：在写入数据前， 必须先下达写使能（EWEN） 指令， 然后再下达01XXXXXX 指令后， 当SCK=1 时， 会把数据码写入指定地址（XXXXXXXX）；而DO=0 时，表示还在进行写操作， 写入结束后DO 会转为高电平。写入动作完成后，必须再下达写禁止（EWDS）命令。

③ 清除（ERASE）： 下达清除指令11XXXXXX 后会将地址（XXXXXXXX）的数据清除。

④ 写使能（EWEN）：下达0011XXXX 指令后，才可以进行写（WRITE）操作。

⑤ 写禁止（EWDS）：下达0000XXXX 指令后，才可重复进行写入（WRITE）操作。

⑥ 芯片清除（ERAL）：下达0010XXXX 指令后，全部禁止。

⑦ 芯片写入（WRAL）：下达0001XXXX指令后，全部写入“0”。

我们的例子程序功能是要实现对93C46 存储器的读写操作，并验证数据是否正确。程序先分别向0x02 和0x03 两个地址写入0x55 和0xAA，然后读其中一个地址，并将读到的数据显示出来验证是否正确。程序默认是读0x02 地址内的数据，读者也可以修改地址数据来读其它地址数据。

首先， 我们来看一下增强型PIC 实验板上的93C46 接口电路， 因为我们需要将软件和硬件相结合进行考虑如何来编程，完成该实验的硬件原理图如图3 所示，U6 为实验板上的93C46 芯片， 单片机的RB1、RB2、RB4、RB5 分别与芯片的CS、CLK、DI、DO 脚相连，七段数码管D5、D7、D8 组成了显示单元，字形码的数据通过RC 口送入，各数码管扫描显示信号分别不同的RA 口进行控制。

图3 硬件原理图

对于单片机软件的编程，我们使用MPLabIDE 软件来进行C 语言编程，它是我们的编程环境，同时我们可以通过使用ICD2 仿真烧写器和增强型PIC 实验板连接进行程序的仿真调试和烧写步骤，具体的操作步骤，我们已经在前几期做了详细的说明和介绍，在此就不再重复说明，读者朋友可以参阅以前的文章或直接登陆我们的网站查看资料。现在我们可以输入程序代码进行调试了， 我们在MPLab IDE软件中新建工程， 加入源程序代码，同时进行芯片型号的选择和配置位的设置，我们实验所用的芯片型号为PIC16F877A。由于篇幅限制，程序的源代码请上网站www.ele169.com 或www.hificat.com下载。 流程框图如图4 示。

图4 读写演示程序的流程图

编好程序后将编译好的HEX通过ICD2 仿真烧写器烧入单片机芯片，上电运行，效果如图5 所示。“0170”是我们事先写入存储器芯片再将其读出来的十进制值。

图5 从93C46 读出的数据通过数码管显示

看到这里，相信你现在已经可以完成一些数据存储方面的实验。