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1、电子线路与仿真技术课程设计说明书电子线路与仿真技术课程设计说明书 题 目：用SPI接口控制多个开关量及8位模拟量输出 系 部： 专 业： 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师: 2016年 5 月 25日电子线路与仿真技术课程设计说明书录 目 1设计任务与要求11.1 设计任务11.2 设计要求12 SPI知识简介22.2 SPI的基本原理22.3 SPI的应用特点63 设计方案74 SPI主机接口设计84.1 SPI总线标准84.2 SPI主机功能描述104.3 单片机扩展SPI总线的系统框图 104.4 单片机SPI总线的时序模拟115 从机的接口设计125.1从机设计原理125.2
2、74HC595资料125.3 74HC595的连接原理图165.4 从机原理图绘制176 设计心得19参考文献20电子线路与仿真技术课程设计说明书1设计任务与要求1.1 设计任务利用SPI接口控制多个开关量输出及多个8位模拟量输出。可以综合到各种FPGA的SPI主机的设计过程，并给出所有相关的Verilog HDL程序。SPI是一种全双工，同步的串行数据通信标准，主要用于微处理器、微控制器、外设之间的通信。采用SPI接口可以实现处理器和外设之间以及处理器内部的通信。SPI系统设计灵活，可以直接实现主机与许多的具有SPI接口的外设之间的通信。SPI主机可以为没有标准SPI接口的微处理器或者微控制
3、器提供标准的SPI接口。本次设计主要是实现主机与许多的具有SPI接口的外设之间的通信出SPI主机在系统中的连接框图。注意：SPI主机设计提供标准的8051微处理器的总线读写周期，简单修改设计代码实现，可以是SPI主机支持其它微处理器接口。1.2 设计要求（1） 画出原理图，从板电路用74系列逻辑器件实现。（2） 仿真，记录仿真结果。（3） 分析结果，进行了哪些改进。（4） 结论，模拟量输出幅度实际是多少，是否是线性。2 SPI知识简介2.1 SPI的背景知识 SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口。SPI是Motorola公司推出的
4、一种同步串行通讯方式，是一种标准的四线同步双向串行总线，因其硬件功能很强，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。SPI可以使微控制器（MCU）与各种外围设备（包括FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和微控制器等）以串行方式进行通信以交换信息。SPI总线使用同步协议传送数据，接收或发送数据时由主机产生的时钟信号控制。SPI接口可以连接多个SPI芯片或装置，主机通过选择它们的片选来分时访问不同的芯片。2.2 SPI的基本原理2.2.1 SPI的接口 SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，设备之间有4线
5、模式（双向传输时）或3线模式（单向传输时）。在4线模式下，它们是 SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCLK（时钟），CS（片选）；在3线模式下，SDI 和 SDO并为一根，定义为SIO。（1）MOSISPI 总线主机输出/从机输入（SPI Bus Master Output/Slave Input）（2）MISOSPI 总线主机输入/从机输出（SPI Bus Master Input/Slave Output) （3）SCLK时钟信号，由主设备产生 （4）CS从设备使能信号，由主设备控制 如图 1所示为SPI总线接口信号线基本连接关系：图1 SPI总线接口信号基本连接关系 其中CS是控
6、制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI、SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。 SPI 总线系统有以下几种
7、形式：1个主机和多个从机、多个从机相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1个主机与1个或几个I/O设备构成的系统等。2.2.2 SPI的数据传输SPI主设各负责产生系统时钟，并决定整个SPI网络的通信速率。所有的SPI设各都采用相同的接口方式，可以通过调整处理器内部寄存器改变时钟的极性和相位。由于SPI器件并不一定遵循同一标准，比如EEPROM、DAC、ADC、实时时钟及温度传感器等器件的SPI接口的时序都有所不同，为了能够满足不同的接口需要，采用时钟的极性和相位可配就能够调整SPI的通信时序。SPI设各传输数据过程中总是先发送或接收高字节数据，每个时钟周期接收器或收发器左移1位数据。对于小于
8、16位的数据在发送之前必须左对齐，如果接收的数据16位则采用小于软件将无效的数据位屏蔽，如图2所示：图2 两个移位寄存器形成一个内部芯片环形缓冲器在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：（1） 主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据；（2） 从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据；这是通过移位寄存器来实现的。如上图3所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出是，相当于完成了两个寄存器内容的交换。 SPI接口有主和从
9、两种操作模式，通过MASTERSLAVE位（SPICTL2）选择操作模式以及SPICLK信号的来源，如图3所示：图3 SPI主控制器和从控制器的连接2.2.3 SPI的时钟极性和时钟相位在数据交换之前，主节点和从节点使其内部移位寄存器加载存储器数据。产生时钟信号时，主节点会通过 MOSI 线同步输出其移位寄存器。同时，从节点在 SIMO 处从主节点读取第一位，并将其存储到存储器中，然后通过 SOMI 输出 MSB。主节点会在 MISO 处读取从节点的第一位，并将其存储到存储器中以待稍后处理。整个过程将一直持续，直至交换完所有数据位，然后主节点使时钟空闲并通过 /SS 禁用从节点。除设置时钟频率
10、之外，主节点还会配置相对于数据的时钟极性和时钟相位。这两个选项分别称作 CPOL 和 CPHA，能够允许时钟信号实现 180 度相移且数据延迟半个时钟周期。图 4 显示了相应的时序图。图4 时钟极性和相位的时序图 CPOL = 0 时，时钟在逻辑 0 处空闲：如果 CPHA = 0，数据会在 SCK 的上升沿上读取，在下降沿上变化。如果 CPHA = 1，数据会在 SCK 的下降沿上读取，在上升沿上变化。 CPOL = 1时，时钟在逻辑高电平处空闲：如果 CPHA = 0，数据会在 SCK的下降沿上读取，在上升沿上变化。如果 CPHA = 1，数据会在 SCK 的上升沿上读取，在下降沿上变化。
11、从节点独立寻址时，主节点必须提供多个从选择信号。该结构一般用在数据采集系统中，其中的多个模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 都必须单独接入。菊花链式从节点需要主节点提供唯一的从选择信号，因此该结构要求同时启用所有从节点，以确保菊花链内通过所有移位寄存器的数据流不会中断。典型的应用为工业级 I/O 模块中的级联多通道输入串行器和输出驱动器。见图下5主节点与独立从节点（左）以及菊花链式从节点（右）进行通信图 5 主节点与独立从节点（左）以及菊花链式从节点（右）进行通信在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性（CPOL或UCCKPL）和时钟相位（CPHA 或UCCKPH）。时钟极性
12、设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。2.3 SPI的应用特点应用：PI接口的全称是Serial Peripheral Interface，意为串行外围接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低
13、位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。特点：SPI一共有11位有用信号，每位信号差分成两个信号用来提高传输抗干扰性，在物理连接上用标准25芯D型插头座(DB25)传输，因此连线多且复杂，传输距离短，容易出现故障。而ASI(异步串行接口)用串行传输，只需要一根同轴电缆线，连线简单，传输距离长。缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。3 设计方案 主机只是仿真用的电路，是负责输出SPI的三个信号。从板电路图是实用的电路，或者说是被仿真的电路。 根据本次实验的设计要求，主机设计被分为两个主要模块：微控制器接口模块和SPI接口模块。微控制器接
14、口模块负责与微控制器通信。SPI接口模块负责与SPI器件通信。系统采用模块化设计，设计中的微控制器接口采用独立的VerilogHDL模块，该模块通过一组寄存器与SPI接口连接模块连接。因此，可以非常容易地采用其它微处理器接口替代该模块。 从机的设计也被分为两个主要模块，分为16路开关量输出电路的设计和一路摸拟量输出电路的设计。所谓开关量就是只有高或低两个电平的数字信号，所谓模拟量是能连续变化的，这里具体来说是8位数字信号用简单的电阻转换得来的。4 SPI主机接口设计4.1 SPI总线标准SPI总线包括4根信号线，Serial Clock(SCK)，Master Out Slave In(MOSI)，Master In Slave Out(MISO)和Slave Selected(SS_N)，负责在不同器件之间传递信息。 SCK信号由SPI主机驱动，管理数据传输过程。主机以不同的波特率传输数据，数据线每传输1bit的数据SCK切换1次状态(1-0或者0-1)。在面向字节的数据传输过程中，SPI Specification提供两种不同的时钟方案以及时钟极性选择，主机可以从四种不同的SCK传输速率中选择一种。数据位在SCK的某个时钟沿(
