ARM与TLV5637的模拟SPI接口设计

 摘 要 在对SPI接口协议进行分析的基础上，提出了利用ARM的GPIO口来模拟SPI接口的通用实现方法。根据串行D／A芯片TLV5637的时序特性和操作要求，利用模拟的SPI接口方法，实现了对TLV5637的访问。
关键词 模拟SPI ARM TLV5637

引 言
    SPI(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司推出的一种同步串行外围接口。该接口由于协议实现简单，传输速度快等优点，已被广泛应用于EEPROM、 Flash、实时时钟、A／D转换器以及D／A转换器等芯片的读写。本文根据实际工程中的应用需求，用ARM芯片LPC2378的GPIO来模拟SPI接口，以实现对外围SPI接口器件的操作。其中，D／A转换是系统中的一个功能单元，利用GPIO模拟SPI接口的思想和方法，实现对串行D／A芯片 TLV5367的访问，以满足工程要求。

1 SPI串口通信格式
    SPI接口协议要求接口设备按主一从方式进行配置，总线上可以连接多个可作为主机的控制器、具备SPI接口的输入／输出设备，但同一时间内总线上只能允许一个设备充当主机。通常，SPI接口包括4种信号：
    MISO串行数据输入，也称主入从出。
    MOSI 串行数据输出，也称主出从入。
    SCK 串行时钟，由主机提供给从机。
    SS 从机片选信号。
    在时钟SCK的作用下，SPI主机发送寄存器的内容顺序移位输出给SPI从机。同时，SPI从机也将其数据寄存器的内容移位输出给主机。图1为其工作原理示意图。

2 基于ARM的SPI接口模拟
    LPC2378是Philips公司生产的ARM7系列芯片。该芯片是一款支持实时仿真和嵌入式跟踪的16／32位 ARM7TDMI-S微控制器，具有三级流水线指令处理结构。LPC2378具有5个32位的GPIO端口。对GPIO口的控制可以通过操作以下GPIO 寄存器来实现：
    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端口状态寄存器；
    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接口的串行时钟SCK按时序可以分为两种：在SCK上升沿采样数据和在SCK的下降沿采样数据。由于SPI接口定义的灵活性，导致了各个厂商生产的具有SPI接口的芯片在工作时序上不一致。为了提高程序的通用性，用条件编译的方法来设置。同时为了增强程序的规整性，作如下设定：P2．0输出 SS从机使能信号；P2．1输出SCK时钟信号；P2．2对应MISO信号；P2．3对应MOSI信号。图2所示为GPIO模拟SPI接口发送一个字符数据的程序流程。发送数据前需将从机使能信号设置为有效，而且一直保持到数据发送完毕。由于是在SCK上升沿数据有效，因此在发送每个数据位前需将SCK设为低电平，然后根据数据最高位来设定MOSI端口的输出电平，最后再将SCK设置为高电平。SPI从机设备便在SCK的上升沿处对MOSI信号线采样，从而读取该数据位电平。在SCK下降沿采样数据，只需将SCK设置高低电平的次序互换即可。[!--empirenews.page--]

    发送数据的实现代码如下：

    GPIO模拟SPI接口接收数据的流程和发送的不同之处在于读取MISO信号而非设置MOSI电平。限于篇幅，对其不予赘述。接收数据的实现代码如下：

    上述的发送和接收代码只是基本的实现，对于不同的SPI器件需要在每次操作后加入不同的延时以满足该器件信号建立和保持的时序要求。此外，根据不同的SCK时序要求，只需设置宏变量SCK_RingEdge即可。

3 对TLV5637的访问
    TLV5637是TI公司一款双通道的10位电压输出D／A转换器件。该器件具有3个信号线：SCLK、DIN和CS，支持对TMS320系列的SPI，以及QSPI和Microwave串行端口的无缝连接。图3为TLV5637和SPI接口的连接示意图。从图中可以看出，只能通过SPI接口向TLV5637进行写操作。

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    图4为TLV5637的时序图。如图所示，TLV5637的数据采样是在SCK时钟的上升沿发生，而且该器件只支持16位的数据格式。

    可以看出，16位的数据包含两个部分：编程位和数据位。SPD为速度控制位，1表示快速，0表示慢速；PWR为功率控制位，1表示掉电模式，0表示工作模式；R1和R0为寄存器选择位。表1为TLV5637的寄存器写入选择表。

    表1中的写控制寄存器即设置参考电压，数据位的低两位表示参考电压的相关信息。其中，“00”和“11”表示参考电压取自外部，“0l”表示参考电压为1．024 V，“10”表示参考电压为2．048 V。输出电压的幅度由下式决定：

  
    CODE为所写入的电压数据值，REF为所设定的参考电压。此外，在写入电压数据时，12位的数据只保持高10位有效，低2位可以忽略。TLV5637的写函数如下：

    经过验证，可以通过GPIO口模拟的SPI接口对TLV5637的输出电压进行精确设置，而且其输出满足系统的电压误差要求。

结 语
    本文提出了利用ARM芯片LPC2378的GPIO接口来仿真SPI接口的方法，同时实现了对串行D／A转换芯片TLV5637的模拟SPI接口访问。该方法具有一定的普遍意义，只要稍加改动，便可以应用于各种类型的微处理器。