基于SPI總線的51單片機(jī)多機(jī)互連編程技術(shù)

摘要：串行擴(kuò)展和串行通信方式已經(jīng)成為當(dāng)前單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的主流方式。目前單片機(jī)市場上不但有傳統(tǒng)的UART串行接口，而且還有SPI、I2C總線等串行接口。SPI接口是一種高速串行通信接口，特別適合于單片機(jī)之間的高速通信，但其工作方式較之傳統(tǒng)的UART串行通信方式有很大的不同。本文給出SPI接口基礎(chǔ)上的各種串行通信工作方式配置及驅(qū)動編程，并進(jìn)行完整的測試。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；UART；SPI

引言
51系列單片機(jī)資源有限，當(dāng)開發(fā)者面對比較復(fù)雜的控制任務(wù)時，51單片機(jī)就力不從心了。在這種情況下，用戶可以選用比較高檔的單片機(jī)機(jī)型，比如ARM系列32位單片機(jī)等來完成目標(biāo)控制的任務(wù)。還有一種選擇方案，就是采用51單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)方案，用分散控制的方法來實現(xiàn)最終的復(fù)雜目標(biāo)控制任務(wù)。
在多機(jī)系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，首先要解決的就是多機(jī)之間的相互通信連接問題，以保證數(shù)據(jù)在單片機(jī)之間的高效、可靠的傳遞。MCU之間的通信功能是多機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是多機(jī)系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。

1 SPI接口的特點
SPI接口最大可以提供1 Mb的串行數(shù)據(jù)傳輸能力。理論上，比傳統(tǒng)的串行通信接口RS232通信速率高得多，因此它非常適合多CPU系統(tǒng)中的CPU之間的數(shù)據(jù)交換，絕大多數(shù)情況下，能夠滿足通信需求。
與RS232不同的是，SPI采用的是移位寄存器方式實現(xiàn)串行通信的，SPI 工作方式如圖1所示。

圖1中，MOSI(Master Out and Slaver In)和MISO(Master In and Slaver Out)為SPI接口的通信引腳。從引腳定義可以看出，無論是數(shù)據(jù)發(fā)送，還是數(shù)據(jù)接收，SPI通信過程始終應(yīng)當(dāng)是由主機(jī)Master控制。主從機(jī)之間的物理連接是同名端直接連接。
其工作過程是：主機(jī)對SPI接口的寫數(shù)據(jù)操作完成后，SPI啟動數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)就從主機(jī)的MOSI引腳移位輸出，按位移位到從機(jī)中；一個字節(jié)傳輸完畢后，SPI接口傳輸標(biāo)志置位，供軟件開發(fā)者測試控制編程。由于每位數(shù)據(jù)傳輸最快只需要一個機(jī)器周期，故其通信速率很快。
這種通信方式，決定了SPI只能夠?qū)崿F(xiàn)近距通信，通常通信距離為數(shù)十公分，不超過1 m，而且 SPI的通信雙方對通信過程的控制能力比較弱，在系統(tǒng)設(shè)計時要保證通信可靠性，必須采用固定主從、連續(xù)收發(fā)的工作模式。
而UART方式對通信過程的控制能力較強(qiáng)，可以是互為主從、隨機(jī)收發(fā)的工作模式。由于這個區(qū)別，決定了SPI的通信編程與傳統(tǒng)的RS232有本質(zhì)的區(qū)別。在編程中，應(yīng)當(dāng)明確地定義系統(tǒng)中誰是主機(jī)，誰是從機(jī)，在系統(tǒng)工作過程中，不得變更。并且，所有的通信過程，都是由主機(jī)發(fā)動。否則，很難保證通信的可靠性。

2 基本協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)
采用的單片機(jī)是NXP公司的P89V51RD2，其內(nèi)部集成有大容量的存儲器(64 KB Flash、1 KB RAM)，除此之外，還集成有3個定時計數(shù)器、UART、PCA、WDT等豐富的接口。它是一款性價比較高的51單片機(jī)，為復(fù)雜的目標(biāo)控制提供了物理支持。
其內(nèi)部也集成了SPI通信接口，由于SPI每位數(shù)據(jù)傳輸最快只需要一個機(jī)器周期，如果單片機(jī)系統(tǒng)采用12 MHz晶振，則傳輸1位數(shù)據(jù)，最短只需要1μs。而采用支持RS232標(biāo)準(zhǔn)的UART接口，若以最高9 600 bps波特率通信，傳輸1位數(shù)據(jù)需要104μs。SPI快速的數(shù)據(jù)傳輸能力，為用戶編制復(fù)雜的通信協(xié)議提供了支持。
SPI通信雖然傳輸速率高，但由于其有主機(jī)、從機(jī)角色固定，連續(xù)傳輸?shù)奶攸c，無法滿足大多數(shù)用戶的通信要求。比如，SPI通信只能由主機(jī)單向發(fā)動，用戶怎么能夠?qū)崿F(xiàn)主從雙方的數(shù)據(jù)雙向傳輸呢?再如，SPI通信工作過程是連續(xù)的，通信雙方又怎樣實現(xiàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)收發(fā)呢?SPI接口僅提供了一種基本的通信機(jī)制，用戶無法直接使用。用戶要使用SPI接口實現(xiàn)兩機(jī)數(shù)據(jù)的隨機(jī)雙向交換，就必須編制通信協(xié)議。SPI雙機(jī)電氣連接圖如圖2所示。

綜上所述，SPI基本通信協(xié)議構(gòu)造的目的就是要滿足通信雙方雙向數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)隨機(jī)收發(fā)的要求。