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1、第11章 S12 SPI和I2C模块及其应用实例 SPI模块概述 SPI模块结构组成和特点 SPI模块寄存器及设置 I2C总线接口 I2C模块结构组成和特点 I2C模块寄存器及设置 I2C模块在智能车系统中的应用11.1 SPI模块概述 串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线系统是一种同步串行外 设接口，可以用于微控制器与各种外围设备 以串行方式进行通信。外围设备包括 EEPROM与Flash芯片、实时时钟模块、液 晶显示模块、A/D转换器和微控制器等。SPI 接口由一个主设备和一个或多个从设备组成 ，主设备启动与从设备的同步通信，从而完 成数据传输
2、。11.1 SPI模块概述 SPI总线接口一般需要使用4根线连接， 如图11.1所示。 11.1 SPI模块概述 串行时钟（Serial Clock，SCK）线是主机和从机 之间数据传输的同步信号。对于主机而言，SCK是时钟输 出引脚；对于从机则SCK是时钟输入引脚。在主机模式下 ，SCK时钟信号来源于主机（如微控制器）内部总线时钟 。如果传输数据宽度为8位，则每当主机发起一次传送时 ，则SCK引脚上就会产生8个时钟周期。在主机与从机之 间，数据传输发生在SCK信号的跳变沿（如上升沿），等 待数据稳定后，在另一个SCK跳变沿（如下降沿）采集数 据。 主机输入、从机输出（Master In/Sl
3、ave Out， MISO）数据线是SPI模块的两根串行数据线之一。在全双 工模式下，SPI主机的MISO连接到SPI从机的MISO，这 样，数据由从机传送到主机。在SPI设备配置为主机工作 模式时，主机通过其MISO引脚接收数据。11.1 SPI模块概述 主机输出、从机输入（Master Out /Slave In，MOSI）数据线 是SPI模块的另外一根串行数据线。在全双工模式下，SPI主机的 MOSI连接到SPI从机的MOSI。这样，主机通过MOSI发送数据的同时 ，从机通过MOSI接收数据。在SPI设备配置为主机工作模式时，主机 通过其MOSI引脚发送数据。 从机选择线SS（低电平有效
4、）。 SS （Slave Select）在主机 和从机模式中具有不同的功能。在从机模式下， 是一次数据传输开始 前允许SPI工作的片选信号；在主机模式下， SS可以置位MODF标志 位，保证一个系统只有一个SPI接口作为主机。 从图11.1可以看出，SPI主从机接口的工作原理，如同一个16位 的移位寄存器，一半在单片机内，一半在外设中。当SPI工作时，通 过串行时钟线的同步信号，循环移位8位，从而实现了单片机与外设 的数据交换。实际使用时，这种数据交换可能只有一个方向，具体的 数据流动方向与工作方式有关。11.1 SPI模块概述 SPI的工作模式主要有以下三种。 主机模式。在主机模式下，串行时
5、钟（SCK）由单片机内部时钟分 频得到，用来同步主/从机双方移位寄存器的数据传输。当向SPI的数据寄存 器SPIDR写入数据后，数据传送开始。如果此时SPI移位寄存器为空，则数据 立即被传送到移位寄存器，数据在SCK的控制下从MOSI引脚串行输出，传送 到从机设备。 从机模式。在从机模式下，串行时钟（SCK）由主机产生，从机SPI 的SCK引脚变为输入口。SS引脚为从机的片选引脚，处于输入状态，在数据 传送前被置为低电平，并保持到数据传送结束。从机通过主机产生的SCK与 主机同步，进行数据的读/写，从MOSI引脚输入数据，从MISO引脚输出数据 。 全双工模式（即双向工作模式）。在全双工模式下
6、，无论是主机模 式还是从机模式，都只用一个引脚传输数据。数据传输方向由SPICR2寄存器 中的BIDIROE位进行选择，详见后面的寄存器介绍部分。 MC9S12DG128微控制器内置有2个SPI接口模块，分别是SPI0和SPI1 ，分别使用端口PORTP0PORTP3和PORTM2PORTM5。以下着重介绍 SPI模块的特性、寄存器功能及设置，并通过应用实例，说明SPI模块的编程 实现。11.2 SPI模块结构组成和特点 MC9S12DG128微控制器内置的SPI模块如图11.2所示。11.2 SPI模块结构组成和特点SPI模块具有以下基本特征：正常模式：主机模式和从机模式；全双工模式；从机选
7、择输出；具有CPU中断能力的模式故障错误标志；双缓冲操作；极性和相位可编程的串行时钟。11.3 SPI模块寄存器及设置 MC9S12DG128的SPI模块共有5个寄存器，详见表11.1。对于 112引脚的MC9S12DG128，内部有两个SPI模块，分别是SPI0和 SPI1，表11.1中分别列出了SPI0和SPI1两个模块中各寄存器地址。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.1 SPI控制寄存器1SPI控制寄存器1（SPI Control Register 1，SPICR1）如图11.3所 示。读：任何时刻；写：任何时刻。 SPIE：SPI中断使能位。当每次SPIF或者MODF状态标志被
8、置位时，该位允许SPI中断。 1表示SPI中断使能； 0表示SPI中断禁止。 SPE：SPI模块功能使能位，该位用于使能SPI模块功能并设置相应的端口引脚为SPI模块 功能应用。 1表示SPI模块功能使能； 0表示SPI模块禁止（应用于低功耗）。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.1 SPI控制寄存器1SPTIE：SPI发送中断使能位。当每次SPTEF状态标志被置位时，该位允许SPI中断。 1表示SPTEF中断使能； 0表示SPTEF中断禁止。 MSTR：SPI主/从模式选择位。 1表示主机模式； 0表示从机模式。 CPOL：SPI时钟极性位，该位用来选择一个反向或非反向的SPI时钟。为
9、了在两个SPI模 块之间传输数据，SPI模块必须设置相同的CPOL值。 1表示低有效时钟选择，SCK空闲为高电平； 0表示高有效时钟选择，SCK空闲为低电平。 CPHA：SPI时钟相位控制位，该位用来控制串行时钟与SPI数据传输的时序关系。 1表示在发送8位数据后，SCK就产生边沿跳变； 0表示在发送8位数据后的时钟周期的一半位置SCK产生边沿跳变。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.1 SPI控制寄存器1SPI的时钟模式如图11.4和图11.5所示。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.1 SPI控制寄存器1SSOE：从机选择输出使能。SS输出特性只在主机模式下通过设置SSOE来使
10、能，详见 表11.2。LSBFE：SPI最低位首先发送使能，该位并不影响数据寄存器中MSB和LSB的位置，读取 或写入数据寄存器，最高位总是在第7位。 1表示数据传送先发送最低位； 0表示数据传送先发送最高位11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.2 SPI控制寄存器2SPI控制寄存器2（SPI Control Register 2，SPICR2）如图11.6所 示。读：任何时刻；写：任何时刻，写保留位无效。 MODFEN：模式错误使能位，该位置“1”允许MODF状态标志被设置。如果MODF状态标 志置位，清除MODFEN并不清除MODF状态标志。如果SPI作为主机且MODFEN位清零 ，则
11、 引脚不应用于SPI模块功能，仅作为普通I/O口使用；如果SPI作为从机，无论 MODFEN为何值， 都作为输入使用。MODFEN的设置对SS引脚的影响可以参考表11.2 。 1表示允许MODF状态标志设置； 0表示禁止MODF状态标志设置。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.2 SPI控制寄存器2BIDIROE：双向工作模式下输出使能位。当SPI配置为双向工作模式时，该位和SPCR1 寄存器中的MSTR位共同应用于使能输出缓冲。 1表示输出缓冲使能； 0表示输出缓冲禁止。 SPISWAI：SPI在等待模式下停止位，该位用于等待模式下的低功耗应用。 1表示等待模式下停止SPI时钟； 0表
12、示等待模式下SPI时钟正常工作。 SPC0：串行引脚控制位0，该位和MSTR位共同设置双向引脚的功能配置，详见表11.3 。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.3 SPI波特率寄存器SPI波特率寄存器（SPI Baud Rate Register，SPIBR）如图11.7 所示。读：任何时刻；写：任何时刻，对保留位写操作无效。 SPPR2SPPR0：SPI波特率预分频位。 SPR2SPR0：SPI波特率选择位。 这些位的配置可以选择不同的SPI波特率，波特率选择配置详见表11.4。波特率计算公式 为 波特率分频系数 = (SPPR+1)2(SPR+1) 波特率=总线时钟/波特率分频系数1
13、1.3 SPI模块寄存器及设置11.3.4 SPI状态寄存器SPI状态寄存器（SPI Status Register，SPISR）如图11.8所示。读：任何时刻；写：无效。 SPIF：SPIF中断标志。数据传输的第8个SCK周期后，该位置位。当SPIF置位后，读取 SPISR寄存器，然后读取SPI数据寄存器时清除该位。 1表示数据传输到SPI数据寄存器（SPIDR）； 0表示数据传输没有完成。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.4 SPI状态寄存器SPTEF：SPI发送空中断标志。当发送数据缓冲器为空时，该位置位。当SPTEF置位后 ，读取SPISR寄存器，然后写一个数据到数据寄存器（S
14、PIDR）时清除该位。没有读 SPISR寄存器而直接写数据到SPIDR寄存器是无效的。如果SPICR1寄存器中的SPTIE=1 ，SPTEF置位会同时产生一个SPTEF中断请求。当1字节数据从发送数据寄存器（ SPIDR）传送到移位寄存器时，SPTEF自动置位。 对于一个空闲SPI模块（在SPIDR寄存器或者移位寄存器中没有数据，也没有数据 正在传输），写入SPIDR寄存器的数据总是立即被传送到移位寄存器，SPTEF在两个总 线周期内被置位，这时允许第二个字节数据写入发送缓冲器SPIDR寄存器。在移位寄存 器中的数据发送完成后，发送缓冲器SPIDR寄存器中的数据自动进入移位寄存器，同时 SPT
15、EF被置位，表示发送缓冲器SPIDR寄存器可以写入新的发送数据。如果没有新数据 写入发送缓冲器SPIDR寄存器，SPTEF仅仅保持1且没有数据从SPIDR寄存器传送到移位 寄存器。 1表示SPI数据寄存器空； 0表示SPI数据寄存器非空。 注意：只有在SPTEF置位（变为1）时，才能向SPI数据寄存器（SPIDR）写数据 。在读取SPTEF=1之前，任何写入SPI数据寄存器SPIDR的数据都被忽略。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.4 SPI状态寄存器MODF：模式错误标志。当SPI配置为主机时，且SPICR2寄存器中的MODFEN=1时，如 果SS输入变低，该位置位。当MODF置位后
16、，通过读取SPI状态寄存器SPISR，然后写 数据到SPI控制寄存器SPICR1清除该位。 1表示模式错误发生； 0表示模式错误未发生。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.4 SPI数据寄存器SPI数据寄存器（SPI Data Register，SPIDR）如图11.9所示。读：任何时刻，通常只在SPIF置位后读取；写：任何时刻。 SPI数据寄存器SPIDR是SPI数据传输的输入/输出寄存器。写入1字节数据到 SPIDR寄存器，则允许该数据进入发送队列并发送。对于SPI主机而言，当移位寄存器中 的数据发送完成后，SPIDR寄存器中的数据就会被立即发送。SPI状态寄存器（SPISR） 中的发送空标志位SPTEF表明SPI数据寄存器SPIDR是否可以写入新数据并进行发送。 注意：直到SPTEF位为高后才能够再写数据到SPI数据寄存器。11.3 SPI模块寄存器及设置11.3.4 SPI数据寄存器如果SPIF被清零且已经接收到一个字节数
