单片机 SPI 总线的原理、电路设计、编程方法

1万 · 2022-1-1 22:01

1. 基于proteus的51单片机开发实例28-SPI总线的读写

1.1. 实验目的

图1 SPI串行总线的读写

本实例中，我们将要学习SPI总线的读写。

1.2. 设计思路
本例通过51单片机连接控制SPI总线器件X5045，使用SPI总线通信协议对X5045进行数据读写，并把写入的数据和读出的数据分别通过51单片机P0和P2口连接的8个LED显示出来，用以对比写入和读出的数据是否相同。

1.3. 基础知识
我们之前学过的RS-232串口属于异步串行接口，而SPI总线属于同步串行接口。SPI串行通信在单片机系统中有着广泛应用。
单片机与RS-232串口通信时，需要RXD（数据接收）和TXD（数据发送）两根线。
单片机与I2C串口通信时，需要SCL（总线时钟）和SDA（数据收发）两根线。
单片机与SPI串口通信时，需要SCK（总线时钟）、MISO（主机接收、从机发送）和MOSI（主机发送、从机接收）三根线。
下面我们结合X5045来了解SPI的基础知识。
X5045主要功能：单片机上电复位控制，看门狗定时器，降压管理，写保护功能的EEPROM数据存储器。
下图是x5045的引脚图。

图2 X5045引脚图

下图是X5045内部结构图。

图3 X5045内部结构

下图是X5045引脚功能说明。

图4 X5045引脚功能

图5 X5045引脚功能（续）

本实例我们主要通过X5045来了解SPI串行总线，所以对X5045的其它功能留待后续实例讲解。
X5045与单片机之间的串口通信，必须在严格的指令控制下进行。X5045的控制是通过其内部的一个8位指令寄存器进行。它可以通过SI引脚访问，数据在SCK的上升沿由同步时钟脉冲控制输入。在整个X5045工作期间，片选端口CS必须保持低电平，写保护引脚WP必须保持高电平。
X5045一共有6条操作指令。如下图所示。所有指令、地址、数据都是以高位在前的方式传送。输入的数据在CS变为低电平之后的SCK第一个上升沿被采用。

图6 X5045指令

向存储器写数据协议：
首先CS置低电平以选中芯片，然后写入WREN（写允许）指令，接着将CS拉到高电平，然后再次将CS拉到低电平，随后写入WRITE指令并跟随欲写入的8位地址。WRITE指令的第3位用于确定存储器的上半区和下半区。如果没有在WREN和WRITE两个指令之间将CS变为高电平，WRITE指令将被忽略，最后需要将CS变为高电平。
从存储器读数据协议：
首先将CS拉低以选中芯片，然后写入READ（读出）指令，跟着写入欲读出数据的8位地址。READ指令的第3位用以确定存储器的上半区和下半区。在读操作指令码发送完毕后，所选中地址单元的数据将通过SO引脚送出，最后还需要将CS拉到高电平。

1.4. 电路设计
本实例电路图如图1所示。单片机P3口连接X5045。同时单片机的P0口和P2口分别连接8个LED，用以指示写入和读出的数据是否一致。

1.5. 程序设计
本实例程序代码如下。由于51单片机没有内置SPI模块，所以本例中我们仍然使用模拟SPI时序的方法实现SPI总线的读、写操作。