單片機應用技術項目十一

SPI串行總線應用【知識目標】掌握SPI串行通信協議了解ATmega16單片機SPI串行通信接口結構了解與SPI串行通信有關的寄存器的功能了解TLC5615D/A芯片【能力目標】掌握ATmega16單片機的SPI串行通信接口相關寄存器的配置方法掌握TLC5615D/A芯片的使用方法掌握簡單的單片機SPI串行通信總線系統程序的編寫、調試方法【任務1】項目知識點學習一、SPI總線通信協議概述

SPI(SerialPeripheralInterface--串行外設接口)總線系統是一種同步外設接口，允許MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信和數據交換。外圍設備包括FLASHRAM、A/D轉換器、網絡控制器、MCU等.一般使用4線制:串行時鐘線(SCK)

、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI

和低電平有效的從機選擇線SS

。【任務1】項目知識點學習二、ATmega16單片機SPI接口控制與數據傳輸過程1)控制與傳輸過程如下圖所示為SPI數據傳輸系統的結構方框圖。SPI的數據傳輸系統由主機和從機兩個部分構成，主要由主、從機雙方的兩個移位寄存器和主機SPI時鐘發生器組成，主機為SPI數據傳輸的控制方。由SPI的主機將SS輸出線拉低，作為同步數據傳輸的初始化信號，通知從機進入傳輸狀態。然后主機啟動時鐘發生器，產生同步時鐘信號SCK；預先將在兩個移位寄存器中的數據在SCK的驅動下進行循環移位操作，實現了主－從之間的數據交換。主機的數據由MOSI（主機輸出－從機輸入）進入從機，而同時從機的數據MISO（主機輸入－從機輸出）進入主機。數據傳送完成，主機將SS線拉高，表示傳輸結束。

【任務1】項目知識點學習二、ATmega16單片機SPI接口控制與數據傳輸過程1)控制與傳輸過程

【任務1】項目知識點學習二、ATmega16單片機SPI接口控制與數據傳輸過程1)控制與傳輸過程

SPI接口的設置可分為主機和從機兩種模式。當SPI接口使能時，MOSI、MISO、SCK和SS引腳的控制和數據方向如下表引腳方向（主SPI）方向（從SPI）MOSI用戶定義輸入MISO輸入用戶定義SCK用戶定義輸入SS用戶定義輸入【任務1】項目知識點學習二、ATmega16單片機SPI接口控制與數據傳輸過程2)SPI初始化及數據傳送程序示例

下面將以ATmega16單片機為例說明如何將SPI設置為主機，以及如何進行簡單的數據傳送。MOSI對應ATmega16單片機PB5引腳，MISO對應ATmega16單片機PB6引腳，SCK對應ATmega16單片機PB7管腳，SS對應ATmega16單片機PB4管腳。【任務1】項目知識點學習二、ATmega16單片機SPI接口控制與數據傳輸過程2)SPI初始化及數據傳送程序示例

（1）設置SPI為主機并進行簡單的數據發送：

voidspi_masterset(void)

{

/*設置MOSI和SCK為輸出，其他為輸入*/

DDRB=(1<<DDB5)|(1<<DDB7);

/*使能SPI主機模式，設置時鐘速率為fck/16*/

SPCR=(1<<SPE)|(1<<MSTR)|(1<<SPR0);

}

voidspi_mastertransmit(chardata)

{

/*啟動數據傳輸*/

SPDR=data;

/*等待傳輸結束*/

while(!(SPSR&(1<<SPIF)));

}【任務1】項目知識點學習二、ATmega16單片機SPI接口控制與數據傳輸過程2)SPI初始化及數據傳送程序示例

（2）設置SPI為從機并進行簡單的數據接收。

voidspi_slaveset(void)

{

/*設置MISO為輸出，其他為輸入*/

DDRB=(1<<DDB6);

/*使能SPI*/

SPCR=(1<<SPE);

}

charspi_slavereceive(void)

{

/*等待接收結束*/

while(!(SPSR&(1<<SPIF)));

/*返回數據*/

returnSPDR;

}【任務1】項目知識點學習二、ATmega16單片機SPI接口控制與數據傳輸過程3）SS引腳的功能

·從機方式當SPI配置為從機時，從機選擇引腳SS總是為輸入。SS為低將激活SPI接口，MISO成為輸出(用戶必須進行相應的端口配置)引腳，其他引腳成為輸入引腳。【任務1】項目知識點學習二、ATmega16單片機SPI接口控制與數據傳輸過程3）SS引腳的功能

·主機方式當SPI被配置為主機時（寄存器SPCR的MSTR位置“1”）,用戶可以決定SS引腳方向。如果SS引腳被設為輸出，該引腳將作為通用輸出口，不影響SPI系統，通常用于驅動從機的SS引腳。【任務1】項目知識點學習三、ATmega16SPI接口相關的寄存器簡單介紹

1）SPI控制寄存器－SPCR

?

Bit7–SPIE:使能SPI中斷置位后，只要SPSR寄存器的SPIF和SREG寄存器的全局中斷使能位置位，就會引發SPI中斷。?

Bit6–SPE:使能SPISPE置位將使能SPI。進行任何SPI操作之前必須置位SPE。?

Bit5–DORD:數據次序DORD置位時數據的LSB首先發送；否則數據的MSB首先發送。

【任務1】項目知識點學習三、ATmega16SPI接口相關的寄存器簡單介紹

1）SPI控制寄存器－SPCR

?Bit4–MSTR:

主/從選擇

MSTR置位時選擇主機模式，否則為從機。如果MSTR為"1”，SS配置為輸入，但被拉低，則MSTR被清零，寄存器SPSR的SPIF置位。用戶必須重新設置MSTR進入主機模式。

?Bit3–CPOL:時鐘極性

CPOL置位表示空閑時SCK為高電平；否則空閑時SCK為低電平。

?Bit2–CPHA:時鐘相位

CPHA決定數據是在SCK的起始沿采樣還是在SCK的結束沿采樣。【任務1】項目知識點學習三、ATmega16SPI接口相關的寄存器簡單介紹

1）SPI控制寄存器－SPCR

?Bits1,0–SPR1,SPR0:SPI時鐘速率選擇1與0

確定主機的SCK速率。SPR1和SPR0對從機模式沒有影響。SCK和振蕩器頻率fOSC之間的關系下表所示。SPI2XSPR1

SPR0 SCK頻率（MHz）

0

0

0

fOSC/4

0

0

1

fOSC/16

0

1

0

fOSC/64

0

1

1

fOSC/128

1

0

0

fOSC/2

1

0

1

fOSC/8

1

1

0

fOSC/32

1

1

1

fOSC/64

【任務1】項目知識點學習三、ATmega16SPI接口相關的寄存器簡單介紹

2）SPI的狀態寄存器－SPSR

?Bit7–SPIF:SPI中斷標志串行發送結束后，SPIF置位。若此時寄存器SPCR的SPIE和全局中斷使能位置位，SPI中斷即產生。如果SPI為主機，SS配置為輸入，且被拉低，SPIF也將置位。進入中斷服務程序后SPIF自動清零。或者可以通過先讀SPSR，緊接著訪問SPDR來對SPIF清零。?Bit6–WCOL:寫碰撞標志在發送當中對SPI數據寄存器SPDR寫數據將置位WCOL。WCOL可以通過先讀SPSR，緊接著訪問SPDR來清零。

【任務1】項目知識點學習三、ATmega16SPI接口相關的寄存器簡單介紹

2）SPI的狀態寄存器－SPSR

?Bit5..1–Res:保留保留位，讀操作返回值為零。?Bit0–SPI2X:SPI倍速

置位后SPI的速度加倍。若為主機，則SCK頻率可達CPU頻率的一半。若為從機，只能保證fosc/4。

【任務1】項目知識點學習三、ATmega16SPI接口相關的寄存器簡單介紹

3）SPI數據寄存器－SPDR

?

SPI數據寄存器為讀/寫寄存器，用來在寄存器文件和SPI移位寄存器之間傳輸數據。寫寄存器將啟動數據傳輸，讀寄存器將讀取寄存器的接收緩沖器。

【任務1】項目知識點學習四、DA轉換芯片TLC5615的相關知識

1）TLC5615的工作特性

TLC5615是帶有3線串行接口且具有緩沖輸入的10位DAC，輸出可達2倍Ref的變化范圍。其特點如下： ·5V單電源工作。 ·3線制串行接口。 ·高阻抗基準輸入。 ·電壓可達基準電壓兩倍。 ·內部復位。

【任務1】項目知識點學習四、DA轉換芯片TLC5615的相關知識

2）TLC5615的引腳及功能說明

TLC5615的引腳如圖所示，各引腳功能如下：

DIN：串行數據輸入端。

SCLK：串行時鐘輸入端。

CS：片選信號。

DOUT：串行數據輸出端，用于級聯。

AGND：模擬地。

REFIN：基準電壓輸入。

OUT：DAC模擬電壓輸出端。

VDD：電源端。

1）數據緩沖器UDR

UDR數據緩沖器的格式圖如圖1.7所示：

ATmega16單片機USART發送數據緩沖寄存器和USART接收數據緩沖寄存器共享相同的I/O地址，稱為USART數據寄存器或UDR。將數據寫入UDR時實際操作的是發送數據緩沖器存器(TXB)，讀UDR時實際返回的是接收數據緩沖寄存器(RXB)的內容。 只有當UCSRA寄存器的UDRE標志置位后才可以對發送緩沖器進行寫操作。如果UDRE沒有置位，那么寫入UDR的數據會被USART發送器忽略。當數據寫入發送緩沖器后，若移位寄存器為空，發送器將把數據加載到發送移位寄存器。然后數據串行地從TxD引腳輸出。【任務1】項目知識點學習2）控制狀態寄存器UCSRA、UCSRB、UCSRC

（1）控制狀態寄存器UCSRA格式圖如圖1.8所示：

RXC:USART接收結束 接收緩沖器中有未讀出的數據時RXC置位，否則清零。接收器禁止時，接收緩沖器被刷新，導致RXC清零。RXC標志可用來產生接收結束中斷(見對RXCIE位的描述)。

TXC:USART發送結束 發送移位緩沖器中的數據被送出，且當發送緩沖器(UDR)為空時TXC置位。執行發送結束中斷時TXC標志自動清零，也可以通過寫1進行清除操作。TXC標志可用來產生發送結束中斷(見對TXCIE位的描述)。

RXCTXC【任務1】項目知識點學習

FE:幀錯誤 如果接收緩沖器接收到的下一個字符有幀錯誤，即接收緩沖器中的下一個字符的第一個停止位為0，那么FE置位。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR)被讀取。當接收到的停止位為1時，FE標志為0。對UCSRA進行寫入時，這一位要寫0。

DOR:數據溢出 數據溢出時DOR置位。當接收緩沖器滿(包含了兩個數據)，接收移位寄存器又有數據，若此時檢測到一個新的起始位，數據溢出就產生了。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR)被讀取。對UCSRA進行寫入時，這一位要寫0。

RXCTXCUDREFEDOR【任務1】項目知識點學習

PE:奇偶校驗錯誤 當奇偶校驗使能(UPM1=1)，且接收緩沖器中所接收到的下一個字符有奇偶校驗錯誤時UPE置位。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR)被讀取。對UCSRA進行寫入時，這一位要寫0。

U2X:倍速發送 這一位僅對異步操作有影響。使用同步操作時將此位清零。此位置1可將波特率分頻因子從16降到8，從而有效的將異步通信模式的傳輸速率加倍。

MPCM:多處理器通信模式 設置此位將啟動多處理器通信模式。MPCM置位后，USART接收器接收到的那些不包含地址信息的輸入幀都將被忽略。發送器不受MPCM設置的影響。RXCTXCUDREFEDORU2XMPCMPE【任務1】項目知識點學習（2）控制狀態寄存器UCSRB格式圖如圖1.9所示：

RXCIE:接收結束中斷使能***向量號： 置位后使能RXC中斷。當RXCIE為1，全局中斷標志位SREG置位，UCSRA寄存器的RXC亦為1時可以產生USART接收結束中斷。

TXCIE:發送結束中斷使能***向量號： 置位后使能TXC中斷。當TXCIE為1，全局中斷標志位SREG置位，UCSRA寄存器的TXC亦為1時可以產生USART發送結束中斷。

RXCIETXCIE【任務1】項目知識點學習

UDRIE:USART數據寄存器空中斷使能.置位后使能UDRE中斷。當UDRIE為1，全局中斷標志位SREG置位，UCSRA寄存器的UDRE亦為1時可以產生USART數據寄存器空中斷。***向量號：

RXEN:接收使能.置位后將啟動USART接收器。RxD引腳的通用端口功能被USART功能所取代。禁止接收器將刷新接收緩沖器，并使FE、DOR及PE標志無效。

TXEN:發送使能置.位后將啟動將啟動USART發送器。TxD引腳的通用端口功能被USART功能所取代。TXEN清零后，只有等到所有的數據發送完成后發送器才能夠真正禁止，即發送移位寄存器與發送緩沖寄存器中沒有要傳送的數據。發送器禁止后，TxD引腳恢復其通用I/O功能。RXCIETXCIEUDRIERXENTXEN【任務1】項目知識點學習

UCSZ2:字符長度 UCSZ2與UCSRC寄存器的UCSZ1:0結合在一起可以設置數據幀所包含的數據位數(字符長度)。

RXB8:接收數據位8

對9位串行幀進行操作時，RXB8是第9個數據位。讀取UDR包含的低位數據之前首先要讀取RXB8。

TXB8:發送數據位8

對9位串行幀進行操作時，TXB8是第9個數據位。寫UDR之前首先要對它進行寫操作。RXCIETXCIEUDRIERXENTXENUCSZ2RXB8TXB8【任務1】項目知識點學習（3）控制狀態寄存器UCSRC格式圖如圖1.10所示：

在ATmega16單片機中，UCSRC寄存器與UBRRH寄存器共用相同的I/O地址。對控制寄存器UCSRC的各位介紹如下：

URSEL:寄存器選擇 通過該位選擇訪問UCSRC寄存器或UBRRH寄存器。當讀UCSRC時，該位為1；當寫UCSRC時，URSEL為1。

UMSEL:USART模式選擇 當UMSEL位為0時，串行口工作于異步操作模式；當UMSEL位為1時，串行口工作于同步操作模式。URSELUMSEL【任務1】項目知識點學習UPM1:0:奇偶校驗模式.這兩位設置奇偶校驗的模式并使能奇偶校驗。如果使能了奇偶校驗，那么在發送數據，發送器都會自動產生并發送奇偶校驗位。對每一個接收到的數據，接收器都會產生一奇偶值，并與UPM0所設置的值進行比較。如果不匹配，那么就將UCSRA中的PE置位。ATmgega16單片機串行口工作時，UPM1:0的設置如表1.1所示：

USBS:停止位選擇通過這一位可以設置停止位的位數。接收器忽略這一位的設置。當USBS位為0時，停止位位數為1；當USBS位為1時，停止位位數為2。UPM1UPM0USBSURSELUMSEL首先，各位進行異或運算，然后偶校驗：結果再與0異或運算。奇校驗：結果再與1異或運算。【任務1】項目知識點學習

UCSZ1:0:字符長度.UCSZ1:0與UCSRB寄存器的UCSZ2結合在一起可以設置數據幀包含的數據位數(字符長度)。其具體設置如表所示：

UCPOL:時鐘極性.這一位僅用于同步工作模式。使用異步模式時，將這一位清零。UCPOL設置了輸出數據的改變和輸入數據采樣，以及同步時鐘XCK之間的關系。UPM1UPM0USBSURSELUMSELUCSZ1UCSZ0UCPOL【任務1】項目知識點學習3）波特率設置寄存器

波特率寄存器UBRRL、UBRRH格式：

URSEL:寄存器選擇通過該位選擇訪問UCSRC寄存器或UBRRH寄存器。當讀UBRRH時，該位為0；當寫UBRRH時，URSEL為0。Bit14:12–保留位

這些位是為以后的使用而保留的。為了與以后的器件兼容，寫UBRRH時將這些位清零。Bit11:0–UBRR11:0:USART波特率寄存器.這個12位的寄存器包含了USART的波特率信息。其中UBRRH包含了USART波特率高4位，UBRRL包含了低8位。波特率的改變將造成正在進行的數據傳