基于SPI总线的51单片机多机互连编程技术

摘要：串行扩展和串行通信方式已经成为当前单片机系统扩展的主流方式。目前单片机市场上不但有传统的UART串行接口，而且还有SPI、I2C总线等串行接口。SPI接口是一种高速串行通信接口，特别适合于单片机之间的高速通信，但其工作方式较之传统的UART串行通信方式有很大的不同。本文给出SPI接口基础上的各种串行通信工作方式配置及驱动编程，并进行完整的测试。
关键词：单片机；UART；SPI

引言
    51系列单片机资源有限，当开发者面对比较复杂的控制任务时，51单片机就力不从心了。在这种情况下，用户可以选用比较高档的单片机机型，比如ARM系列32位单片机等来完成目标控制的任务。还有一种选择方案，就是采用51单片机多机系统方案，用分散控制的方法来实现最终的复杂目标控制任务。
    在多机系统的实现过程中，首先要解决的就是多机之间的相互通信连接问题，以保证数据在单片机之间的高效、可靠的传递。MCU之间的通信功能是多机系统实现的基础，也是多机系统可靠运行的关键。

1 SPI接口的特点
    SPI接口最大可以提供1 Mb的串行数据传输能力。理论上，比传统的串行通信接口RS232通信速率高得多，因此它非常适合多CPU系统中的CPU之间的数据交换，绝大多数情况下，能够满足通信需求。
    与RS232不同的是，SPI采用的是移位寄存器方式实现串行通信的，SPI 工作方式如图1所示。

    图1中，MOSI(Master Out and Slaver In)和MISO(Master In and Slaver Out)为SPI接口的通信引脚。从引脚定义可以看出，无论是数据发送，还是数据接收，SPI通信过程始终应当是由主机Master控制。主从机之间的物理连接是同名端直接连接。
    其工作过程是：主机对SPI接口的写数据操作完成后，SPI启动数据发送，数据就从主机的MOSI引脚移位输出，按位移位到从机中；一个字节传输完毕后，SPI接口传输标志置位，供软件开发者测试控制编程。由于每位数据传输最快只需要一个机器周期，故其通信速率很快。
    这种通信方式，决定了SPI只能够实现近距通信，通常通信距离为数十公分，不超过1 m，而且 SPI的通信双方对通信过程的控制能力比较弱，在系统设计时要保证通信可靠性，必须采用固定主从、连续收发的工作模式。
    而UART方式对通信过程的控制能力较强，可以是互为主从、随机收发的工作模式。由于这个区别，决定了SPI的通信编程与传统的RS232有本质的区别。在编程中，应当明确地定义系统中谁是主机，谁是从机，在系统工作过程中，不得变更。并且，所有的通信过程，都是由主机发动。否则，很难保证通信的可靠性。

2 基本协议的设计与实现
    采用的单片机是NXP公司的P89V51RD2，其内部集成有大容量的存储器(64 KB Flash、1 KB RAM)，除此之外，还集成有3个定时计数器、UART、PCA、WDT等丰富的接口。它是一款性价比较高的51单片机，为复杂的目标控制提供了物理支持。
    其内部也集成了SPI通信接口，由于SPI每位数据传输最快只需要一个机器周期，如果单片机系统采用12 MHz晶振，则传输1位数据，最短只需要1μs。而采用支持RS232标准的UART接口，若以最高9 600 bps波特率通信，传输1位数据需要104μs。SPI快速的数据传输能力，为用户编制复杂的通信协议提供了支持。
    SPI通信虽然传输速率高，但由于其有主机、从机角色固定，连续传输的特点，无法满足大多数用户的通信要求。比如，SPI通信只能由主机单向发动，用户怎么能够实现主从双方的数据双向传输呢?再如，SPI通信工作过程是连续的，通信双方又怎样实现数据的随机收发呢?SPI接口仅提供了一种基本的通信机制，用户无法直接使用。用户要使用SPI接口实现两机数据的随机双向交换，就必须编制通信协议。SPI双机电气连接图如图2所示。

    综上所述，SPI基本通信协议构造的目的就是要满足通信双方双向数据传递、数据随机收发的要求。
    图2中，笔者设计的基本协议如下：SPI的工作模式是主机用PCA定时器进行数据连续发、收，从机用串行中断进行数据连续收、发。建立收发数据包，每个数据包8个字节，主从机均建立一个8个字节的发送数据缓冲区(spi send buf[8])和一个8个字节的接收数据缓冲区(spi_re cv_buf[8])，并建立一个完整数据包接收完毕标志(spi_recv_flag)。当用户需要发送数据时，随时可以将发送数据包填入发送缓冲区，当需要接收数据时，随时测试接收标志是否置传，这样从接收数据缓冲区中得到对方发来的数据包。按照上述协议，SPI接口设置好以后，用户的数据收发只要面对本协议设置的通信缓冲区，而无需关注SPI接口如何工作。从而满足数据双向传输、随机收发的要求。基本协议构造示意图如图3所示。

    注意：笔者主机显示设备为LCD12864，从机显示设备为8个数码管，为缩短篇幅，其显示驱动程序未列出。从程序中可以看出，SPI接口在发送一个字节的同时，接收一个字节，这是SPI与其他串行通信方式本质的不同。此外，笔者在接近1 MHz的极限速率下作了测试，数据传输稳定。

3 高级协议的设计和实现
    基本协议较简单，可以保证通信双方能够可靠地进行数据传输，但上述协议的实现依赖于从机中断方式。而SPI中断与UART串行中断共用，当从机串行口用于其他通信时，就要避免通信中断的相互干扰。复杂电子系统通信配置图如图4所示。

    图4中的单片机串口只是数据发送，而无需接收数据，串行通信也只需单向数据传输。采用查询方式，不占用中断，串行4号中断用于SPI通信。因此，可以用SPI基本协议完成单片机双机通信功能。若电子系统与上位机之间有信息交互的要求，并且收发数据皆为随机，此时系统通信的配置模式如图4所示。
    图4中2号机SPI通信和UART通信皆为Slaver方式，由于SPI、UART共用一个中断，会导致通信工作过程不正常，严重时SPI和UART通信皆无法正常进行。上述协议无法满足需要。为此，在基本协议的基础上，构造高级的协议。
    高级协议：主机和从机皆用定时器进行SPI数据帧的收发，定时器是SPI通信的发动机，通信是由主机定时器发动。从机仅被动收发，为了保证SPI收发双方数据包的字节相位匹配，必须设置数据包收发缓冲区，收发缓冲区字节个数应当是数据包的N倍。同时，数据包中设置若干包标示字节，通常为头字节、尾字节，以便主从机在接收数据时可以动态的进行字节相位的校准，保证数据接收的可靠性。高级协议构造示意图如图5所示。

    图5中，SPI通信数据包为8个字节，包标识字节为0x0d、0x0c。SPI通信发动采用PCA定时器模式，读者也可以采用定时器T1和T2实现SPI通信发动。参考程序如下：
   
   

结语
    随着单片机技术的发展，串行扩展和串行通信成为单片机应用技术的主流，用户应当掌握各种串行通信方式的开发技术。其中，SPI通信方式的快速数据传输能力，为用户灵活的编制通信协议，为保证通信的可靠性提供了保障。