同步队列串行接口QSPI的研究与应用

    MCU同外部设备的数据传输有两种方式，一种是并行数据传输方式，另一种是串行数据传输方式。串行数据传输方式信号线少，协议简单，在长距离、低速率的传输中得到广泛应用，常用的有SPI、I2C、UART等串行数据传输协议。其中，SPI协议为Motorola公司推出的同步串行外围接口协议，Motorola公司的低端MCU上基本都集成了SPI模块。在SPI协议的基础上，Motorola公司对其功能进行了增强，增加了队列传输机制，推出了队列串行外围接口协议(即QSPI协议)。使用该接口，用户可以一次性传输包含多达16个8位或16位数据的传输队列。一旦传输启动，直到传输结束都无需CPU干预，极大地提高了传输效率。该协议在随后推出的ColdFire系列MCU中得到广泛应用。

1 QSPI工作原理
    QSPI模块的结构如图1所示。与SPI相比，QSPI结构最大的特点是以80字节的RAM取代了SPI的发送和接收数据寄存器。80字节的RAM分成3部分：16字的发送RAM，16字的接收RAM和16字节的命令RAM。这3部分形成了具有16个QSPI传输控制组的传输队列，每个QSPI传输控制组由1个命令RAM、1个发送RAM和1个接收RAM组成。每个QSPI传输的数据长度、片选等信息可由该QSPI传输控制组的命令RAM单独决定。

    由于SPl只有1个8位的发送数据寄存器，所以CPU每次最多只能准备一个字节的待发送数据。而QSPI拥有具有16个QSPI传输控制组的传输队列，所以CPU每次最多可以准备16个待传输的数据，并且可以通过命令RAM设置每个待传输数据的长度。
    在QSPI模块的QWR寄存器中，NEWQP和ENDQP域分别决定了传输队列的起始点和结束点。起始点和结束点可以是16个QSPI
传输控制组的任意一个。当QSPI传输启动时，QSPI模块将从起始点开始依次发送准备好的数据直到结束点，整个过程无需CPU干预。典型的QSPI传输流程如图2所示，其中QP为传输队列指针，指向即将传输的数据。

    QSPI模块具有7个引脚：QSPI＿DIN为串行数据输入引脚；QSPI＿DOUT为串行数据输出引脚；QSPI＿CLK为串行时钟输出；QSPI＿CS[3：0]为片选信号，通过外接译码器可以选择多达16个设备。一次典型的16位QSPI传输时序如图3所示。该时序假设片选信号低电平有效，时钟空闲时为低电平，在时钟的下降沿采样串行数据。其中，时钟空闲电平和采样时钟沿由QMR寄存器的CPOL和CPHA域决定。

2 4线电阻式触摸屏芯片ADS7843简介
    ADS7843是一款具有同步串行接口的4线电阻式触摸屏控制芯片，具有12位模／数转换精度。ADS7843的4个模拟电压输入引脚X+、X-、Y+、Y-连接触摸屏的4个电极，触摸屏通过这4个引脚将触点电压送到ADS7843进行量化。具体来说，如果要获取触点Y坐标，ADS7843会在Y十和Y-之间施加一个电压，触点将X+与Y+和Y-间电阻网络的一点导通，与触点位置相关的分压值就会通过X+送入ADS7843，通过量化这个分压值就可以获取触点的Y坐标。X坐标的获取也是相同的道理。量化台阶由基准电压和每个样点量化后的位数n决定，为基准电压的1／2”。
2．1 ADS7843工作模式
    ADS7843具有两种工作模式：单端模式和差分模式。两种模式的区别在于基准电压采用了不同的构成方式。基准电压是ADS7843内部模／数转换模块的正负参考电压+REF和-REF之差。当处于单端模式时，+REF来自外部参考电压输入，一般选取ADS7843的供电电压+ Vcc，-REF接地，所以基准电压为+Vcc。假设在该模式下获取触点Y坐标，由于+Vcc是通过三极管施加在Y+和Y一之间，所以三极管的导通电阻始终会分去一部分电压。这样无论触点在哪里，都不可能获得满量程。这个问题可以通过工作在差分模式解决。在该模式下，当要获取触点Y坐标时，芯片内部自动将Y+与+REF相连，Y-与-REF相连，这样Y+与Y-之间的电压始终为基准电压，消除了三级管导通电阻的影响。
2．2 ADS7843的数字接口
    ADS7843的数字接口包括片选CS、串行数据输入DIN、串行数据输出DOUT、时钟输入DCLK、中断信号PENIRQ五个引脚，能与具有串行接口的微控制器或数字信号处理器进行数据交换。处理器与ADS7843之间需要24个串行时钟周期才能完成一次完整的转换。前8个时钟周期用于向ADS7843提供一个控制字节，该控制字节组成如下：

    S位为“1”时表明控制字节的开始；A[2：0]用于选择量化通道，“001”选择X通道，“101”选择Y通道；MODE位为“1”时选择8位量化精度，为“0”时选择12位量化精度；SER／DFR位为“1”时选择单端模式，为“0”时选择差分模式；PD[1：0]用于选择一种省电模式。控制字传输完后，接下来的16个时钟周期用于传输量化后的坐标数据。
    ADS7843数字接口还有以下特点：片选低电平有效，时钟空闲时为低电平，时钟的上升沿采样串行数据。
3 基于ColdFire处理器QSPI接口的触摸屏驱动设计
3．1 硬件电路
    触摸屏控制芯片ADS7843与ColdFire系列处理器的硬件连接图如图4所示。

    ADS7843数字接口的4个引脚与COLDFire处理器QS-PI模块对应引脚相连，中断信号引脚PENIRQ与处理器外部中断引脚IRQ4相连。注意，需要10kΩ上拉电阻。

3．2 软件设计
    从触摸发生到获取触摸点坐标的过程如下：触摸发生时，ADS7843会通过PENIRQ引脚触发一个中断，在中断子程序中首先应延迟10～20 ms以去除抖动带来的影响，然后向ADS7843发送控制字获取X、Y坐标。
    获取一个坐标的值需要向ADS7843输入24个时钟周期。对QSPI模块来说，可以把这24个周期作为3次8位的传输队列，或1次8位、1次16位的传输队列。这里选择3次8位传输队列的方式。QSPI初始化代码如下：

    其中，QSPI_QMR和QSPI_QWR为QSPI寄存器QMR和QWR的地址。获胜X坐标函数代码如下：

    获取Y坐标函数代码同获取X坐标函数代码基本一致，只需要将发送给ADS7843的控制命令修改为0xD0，表示选择Y通道，12位精度，差分模式。
    为观察QSPI模块与ADS7843是否能正确地进行通信，使用Agilent1673G逻辑分析仪对4个引脚的时序进行了捕捉。图5显示了读取X坐标时的时序图，4个引脚从上到下依次是片选CS、串行时钟DCLK、串行数据输入DIN、串行数据输出DOUT。从图中可以清楚地看到，在前8个时钟周期，处理器向ADS7843输入了控制字；在第10个时钟处，ADS7843开始输出12位的量化数据；最后3个时钟，ADS7843将输出线拉低。

结 语
    本文分析了一种改进的SPI传输接口QSPI的工作机制，并通过QSPI模块与触摸屏控制芯片ADS7843通信的实例阐述了该模块的典型应用。QSPI模块的队列机制加快了数据传输速度，减少了CPU的干预。除此之外，该模块提供了对时钟有效电平、采样沿、片选电平、传输数据位数等的自由配置，使其能灵活地与各种具有串行接口的设备进行通信。