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引言 SPI(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司推出的一種同步串行外圍接口。該接口由于協議實現簡單，傳輸速度快等優點，已被廣泛應用于EEPROM、 Flash、實時時鐘、A／D轉換器以及D／A轉換器等芯片的讀寫。本文根據實際工程中的應用需求，用ARM芯片LPC2378的GPIO來模擬SPI接口，以實現對外圍SPI接口器件的操作。其中，D／A轉換是系統中的一個功能單元，利用GPIO模擬SPI接口的思想和方法，實現對串行D／A芯片 TLV5367的訪問，以滿足工程要求。 1 SPI串口通信格式 SPI接口協議要求接口設備按主一從方式進行配置，總線上可以連接多個可作為主機的控制器、具備SPI接口的輸入／輸出設備，但同一時間內總線上只能允許一個設備充當主機。通常，SPI接口包括4種信號： MISO串行數據輸入，也稱主入從出。 MOSI 串行數據輸出，也稱主出從入。 SCK 串行時鐘，由主機提供給從機。 SS 從機片選信號。 在時鐘SCK的作用下，SPI主機發送寄存器的內容順序移位輸出給SPI從機。同時，SPI從機也將其數據寄存器的內容移位輸出給主機。圖1為其工作原理示意圖。 
2 基于ARM的SPI接口模擬 LPC2378是Philips公司生產的ARM7系列芯片。該芯片是一款支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16／32位 ARM7TDMI-S微控制器，具有三級流水線指令處理結構。LPC2378具有5個32位的GPIO端口。對GPIO口的控制可以通過操作以下GPIO 寄存器來實現： FIODIR 快速GPIO端口方向控制寄存器； FIOMASK 快速GPIO端口屏蔽寄存器； FIOPIN 快速GPIO端口狀態寄存器； FIOSET 快速GPIO端口置位寄存器； FIOCLR 快速GPIO端口清零寄存器。 通常，SPI接口的串行時鐘SCK按時序可以分為兩種：在SCK上升沿采樣數據和在SCK的下降沿采樣數據。由于SPI接口定義的靈活性，導致了各個廠商生產的具有SPI接口的芯片在工作時序上不一致。為了提高程序的通用性，用條件編譯的方法來設置。同時為了增強程序的規整性，作如下設定：P2．0輸出 SS從機使能信號；P2．1輸出SCK時鐘信號；P2．2對應MISO信號；P2．3對應MOSI信號。圖2所示為GPIO模擬SPI接口發送一個字符數據的程序流程。發送數據前需將從機使能信號設置為有效，而且一直保持到數據發送完畢。由于是在SCK上升沿數據有效，因此在發送每個數據位前需將SCK設為低電平，然后根據數據最高位來設定MOSI端口的輸出電平，最后再將SCK設置為高電平。SPI從機設備便在SCK的上升沿處對MOSI信號線采樣，從而讀取該數據位電平。在SCK下降沿采樣數據，只需將SCK設置高低電平的次序互換即可。
發送數據的實現代碼如下：
GPIO模擬SPI接口接收數據的流程和發送的不同之處在于讀取MISO信號而非設置MOSI電平。限于篇幅，對其不予贅述。接收數據的實現代碼如下：
上述的發送和接收代碼只是基本的實現，對于不同的SPI器件需要在每次操作后加入不同的延時以滿足該器件信號建立和保持的時序要求。此外，根據不同的 SCK時序要求，只需設置宏變量SCK_RingEdge即可。 3 對TLV5637的訪問 TLV5637是TI公司一款雙通道的10位電壓輸出D／A轉換器件。該器件具有3個信號線：SCLK、DIN和CS，支持對TMS320系列的SPI，以及QSPI和Microwave串行端口的無縫連接。圖3為TLV5637和SPI接口的連接示意圖。從圖中可以看出，只能通過SPI接口向 TLV5637進行寫操作。
圖4為TLV5637的時序圖。如圖所示，TLV5637的數據采樣是在SCK時鐘的上升沿發生，而且該器件只支持16位的數據格式。
可以看出，16位的數據包含兩個部分：編程位和數據位。SPD為速度控制位，1表示快速，0表示慢速；PWR為功率控制位，1表示掉電模式，0表示工作模式；R1和R0為寄存器選擇位。表1為TLV5637的寄存器寫入選擇表。
表1中的寫控制寄存器即設置參考電壓，數據位的低兩位表示參考電壓的相關信息。其中，“00”和“11”表示參考電壓取自外部，“0l”表示參考電壓為 1．024 V，“10”表示參考電壓為2．048 V。輸出電壓的幅度由下式決定：
CODE為所寫入的電壓數據值，REF為所設定的參考電壓。此外，在寫入電壓數據時，12位的數據只保持高10位有效，低2位可以忽略。TLV5637的寫函數如下：
經過驗證，可以通過GPIO口模擬的SPI接口對TLV5637的輸出電壓進行精確設置，而且其輸出滿足系統的電壓誤差要求。 結語 本文提出了利用ARM芯片LPC2378的GPIO接口來仿真SPI接口的方法，同時實現了對串行D／A轉換芯片TLV5637的模擬SPI接口訪問。該方法具有一定的普遍意義，只要稍加改動，便可以應用于各種類型的微處理器。 參考文獻 1. 周立功 ARM 嵌入式系統基礎教程 2005 2. NXP Semiconductor.LPC2364/66/68/78 User Manual 2007 3. Texas Instruments.TLV5637 Datasheet 2000 4. 張經愛.許凱華.劉玉華 基于 MSP430的模擬SPI串口通信的實現 [期刊論文] -計算機工程與設計2008(5) 作者：趙磊 趙明英 (西安電子科技大學) 趙曙光 (東華大學) 來源：《單片機與嵌入式系統應用》2009（6） |
