基于SPI總線技術的同步422接口設計

摘 要： 以SPI總線技術為基礎，用微控制器S3C2450X和電平轉換芯片MAX3088設計了一個RS-422接口電路，將SPI單端非平衡傳輸信號轉換為RS-422差分信號。在保證SPI同步傳輸?shù)母咝院透咚傩缘耐瑫r，還增強了信號的抗干擾能力。

同步傳輸(Synchronous Transmission)是一種發(fā)送方與接收方都采用相同時鐘頻率的傳輸方式。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幀已經到達，但它同時還能確保接收方的采樣速度和比特的到達速度一致，使收發(fā)雙方進入同步。幀的結尾部分是一個幀結束標記，用于表示在下一幀開始之前沒有其他即將到達的數(shù)據(jù)了。接收方不必對每個字符進行開始和停止的操作，一旦檢測到幀同步字符，就在接下來的數(shù)據(jù)到達時接收它們。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€字符中都加入起始位和結束位，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。在某實時圖像存儲系統(tǒng)設計中，為了保證能夠實時存儲圖像，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外圍總線轉換為同步422接口的設計方法。

1 SPI基本原理與結構

串行外圍設備接口(SPI)是由Motorola公司開發(fā)的、用來在微控制器和外圍設備芯片之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的低成本、易使用接口。與標準的串行接口不同，SPI是一個同步協(xié)議接口，全雙工通信，所有的傳輸都參照一個共同的時鐘，這個同步時鐘信號由主機產生。接收數(shù)據(jù)的外設使用時鐘對串行比特流的接收進行同步化。其傳輸速度可達幾Mb/s。

SPI主要使用4個信號：MISO(主機輸入/從機輸出)、MOSI(主機輸出/從機輸入)、 SCLK(串行時鐘)、或(外設片選或從機選擇)。

MISO信號由從機在主機的控制下產生。信號用于禁止或使能外設的收發(fā)功能。為高電平時，禁止外設接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；為低電平時，允許外設接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1所示是微處理器通過SPI與外設連接的示意圖。


主機和從機都有一個串行移位寄存器，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器通過MOSI信號線將字節(jié)傳送給從機，從機也將自己的移位寄存器中的內容通過MISO信號線返回給主機(如圖2所示)。這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。外設的寫操作和讀操作是同步完成的。


如果只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機要讀取從機的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。

當主機發(fā)送一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流時，有些外設能夠進行多字節(jié)傳輸。多數(shù)具有SPI接口的存儲芯片就以這種方式工作。在這種傳輸方式下，從機的片選端必須在整個傳輸過程中保持低電平。此時，一次傳輸可能會涉及到成千上萬字節(jié)的信息，而不必在每個字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送的前后都去檢測其起始位和結束位，這正是同步傳輸方式優(yōu)于異步傳輸方式的原因所在。