串行接口SPI接口应用设计

　作者：马潮老师 / 整理：armok / 2005-01-17/ www.OurAVR.com

　　使用的同步串行三线SPI接口，可以方便的连接采用SPI通信协议的外围或另一片AVR单片机，实现在短距离内的高速同步通信。ATmega128的SPI采用硬件方式实现面向字节的全双工3线同步通信，支持主机、从机和2种不同极性的SPI时序，通信速率有7种选择，主机方式的最高速率为1/2系统时钟，从机方式最高速率为1/4系统时钟。

　　ATmega128单片机内部的SPI接口也被用于程序存储器和数据E2PROM的编程下载和上传。但特别需要注意的是，此时SPI的MOSI和MISO接口不再对应PB2、PB3引脚，而是转换到PE0、PE1引脚上（PDI、PDO），其详见第二章中关于程序存储器的串行编程和校验部分的内容。

　　ATmega128的SPI为硬件接口和传输完成中断申请，所以使用SPI传输数据的有效方法是采用中断方式+数据缓存器的设计方法。在对SPI初始化时，应注意以下几点：

.正确选择和设置主机或从机，以及工作模式（极性），数据传输率；

.注意传送字节的顺序，是低位优先（LSB First）还是高位优先（MSB Frist）；

.正确设置MOSI和MISO接口的输入输出方向，输入引脚使用上拉电阻，可以节省总线上的吊高电阻。

　　 下面一段是SPI主机方式连续发送（接收）字节的例程：

#define SIZE 100
unsigned char SPI_rx_buff[SIZE];
unsigned char SPI_tx_buff[SIZE];
unsigned char rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter,rx_buffer_overflow;
unsigned char tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter;

#pragma interrupt_handler spi_stc_isr:18
void spi_stc_isr(void)
{
  SPI_rx_buff[rx_wr_index] = SPDR; //从ISP口读出收到的字节
  if (++rx_wr_index == SIZE) rx_wr_index = 0; //放入接收缓冲区，并调整队列指针
  if (++rx_counter == SIZE)
    {
      rx_counter = 0;
      rx_buffer_overflow = 1;
    }
  if (tx_counter) //如果发送缓冲区中有待发的数据
    {
      --tx_counter;
      SPDR = SPI_tx_buff[tx_rd_index]; //发送一个字节数据，并调整指针
      if (++tx_rd_index == SIZE) tx_rd_index = 0;
    }
}

unsigned char getSPIchar(void)
{
  unsigned char data;
  while (rx_counter == 0); //无接收数据，等待
  data = SPI_rx_buff[rx_rd_index]; //从接收缓冲区取出一个SPI收到的数据
  if (++rx_rd_index == SIZE) rx_rd_index = 0; //调整指针
  CLI();
  --rx_counter;
    SEI();
    return data;
}

void putSPIchar(char c)
{
  while (tx_counter == SIZE);//发送缓冲区满，等待
  CLI();
  if (tx_counter || ((SPSR & 0x80) == 0))//发送缓冲区已中有待发数据
    { //或SPI正在发送数据时
      SPI_tx_buffer[tx_wr_index] = c; //将数据放入发送缓冲区排队
      if (++tx_wr_index == SIZE) tx_wr_index = 0; //调整指针
      ++tx_counter;
    }
  else
    SPDR = c; //发送缓冲区中空且SPI口空闲，直接放入SPDR由SIP口发送
SEI();
}

void spi_init(void)
{
  unsigned chat temp;
  DDRB |= 0x080; //MISO=input and MOSI,SCK,SS = output
  PORTB |= 0x80; //MISO上拉电阻有效
  SPCR = 0xD5; //SPI允许，主机模式，MSB，允许SPI中断，极性方式01，1/16系统时钟速率
  SPSR = 0x00;
  temp = SPSR;
  temp = SPDR; //清空SPI，和中断标志，使SPI空闲
}

void main(void)
{
  unsigned char I;
  CLI(); //关中断
  spi_init(); //初始化SPI接口
  SEI(); //开中断
  while()
    {
      putSPIchat(i); //发送一个字节
      i++;
      getSPIchar(); //接收一个字节（第一个字节为空字节）
      ………
    }
}

　　这个典型的SPI例程比较简单，主程序中首先对ATmega128的硬件SPI进行初始化。在初始化过程中，将PORTB的MOSI、SCLK和SS引脚作为输出，同时将MISO作为输入引脚，并打开上拉电阻。接着对SPI的寄存器进行初始化设置，并空读一次SPSR、SPDR寄存器（读SPSR后再对SPDR操作将自动清零SPI中断标志自动清零），使ISP空闲等待发送数据。

　　AVR的SPI由一个16位的循环移位寄存器构成，当数据从主机方移出时，从机的数据同时也被移入，因此SPI的发送和接收在一个中断服务中完成。在SPI中断服务程序中，先从SPDR中读一个接收的字节存入接收数据缓冲器中，再从发送数据缓冲器取出一个字节写入SPDR中，由ISP发送到从机。数据一旦写入SPDR，ISP硬件开始发送数据。下一次ISP中断时，表示发送完成，并同时收到一个数据。类似本章介绍的USART接口的使用，程序中putSPIchar()和getSPIchar()为应用程序的底层接口函数（SPI驱动程序是SPI中断服务程序），同时也使用了两个数据缓冲器，分别构成循环队列。这种程序设计的思路，不但程序的结构性完整，同时也适当的解决了高速MCU和低速串口之间的矛盾，实现程序中任务的并行运行，提高了MCU的运行效率。

　　本例程是通过SPI批量输出、输入数据的示例，用户可以使用一片ATmega128，将其MOSI和MISO两个引脚连接起来，构成一个ISP接口自发自收的系统，对程序进行演示验证。需要注意，实际接收到的字节为上一次中断时发出的数据，即第一个收到的字节是空字节。

　　读懂和了解程序的处理思想，读者可以根据需要对程序进行改动，适合实际系统的使用。如在实际应用中外接的从机是一片SPI接口的温度芯片，协议规程为：主机先要连续发送3个字节的命令，然后从机才返回一个字节的数据。那么用户程序可以先循环调用putSPIchar()函数4次，将3个字节的命令和一个字节的空数据发送到从机，然后等待一段时间，或处理一些其它的操作后，再循环调用getSPIchar()函数4次，从接收数据缓冲器中连续读取4个字节，放弃前3个空字节，第4个字节即为从机的返回数据了。