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电子线路与仿真技术课程设计-spi接口控制开关及模拟量输出毕业论文.docx
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电 子 线 路 与 仿 真 技 术 课 程 设 计 说 明 书
题 目: SPI 接口控制开关及模拟量输出
系 部: 信息与控制工程学院
专 业: 电子信息工程
班 级: 2013 级 2 班
学生姓名: AA 学 号:
指导教师:
2015 年 5 月 24 日
电子线路与仿真技术课程设计说明书
目 录
1 设计背景 ............................................................1
1.1 SPI 的简介 .......................................................1
1.2 SPI 的应用与特点 .................................................1
1.3 接口信号.........................................................1
1.4 数据传输.........................................................2
1.5 时钟极性和时钟相位...............................................3
2 设计任务与要求 ......................................................4
2.1 设计任务.........................................................4
2.2 设计要求.........................................................4
3 设计方案 ............................................................4
4 SPI 主机接口设计 ....................................................5
4.1 SPI 总线标准 .....................................................5
4.2 SPI 主机功能描述 .................................................7
4.3 单片机扩展 SPI 总线的系统框图.....................................7
4.4 单片机 SPI 总线的时序模拟.........................................9
5 从机的接口设计 ......................................................9
5.1 从机设计原理.....................................................9
5.2 74HC595 资料 ....................................................10
5.3 74HC595 的连接原理图 ............................................13
5.4 16 路开关量输出电路 .............................................14
5.5 模拟量输出电路..................................................15
5.6 整体程序框图....................................................15
6 实验仿真图..........................................................16
7 实验结果分析........................................................16
7.1 16 路开关量输出电路分析 .........................................16
7.2 模拟量输出电路 ..................................................17
8 结论与体会..........................................................17
参考文献...............................................................19
电子线路与仿真技术课程设计说明书
1
1 设计背景
1.1 SPI 的简介
SPI(Serial Peripheral Interface--串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设
接口,它可以使 MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI 有三个寄
存器分别为:控制寄存器 SPCR,状态寄存器 SPSR,数据寄存器 SPDR。外围设备包括
FLASHRAM、网络控制器、LCD 显示驱动器、A/D 转换器和 MCU 等。SPI 总线系统可直
接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,该接口一般使用 4 条线:串行时钟
线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线 MISO、主机输出/从机输入数据线 MOSI 和低
电平有效的从机选择线 NSS(有的 SPI 接口芯片带有中断信号线 INT、有的 SPI 接口芯
片没有主机输出/从机输入数据线 MOSI)。
1.2 SPI 的应用与特点
应用:PI 接口的全称是"Serial Peripheral Interface",意为串行外围接口,是
Motorola 首先在其 MC68HCXX 系列处理器上定义的。SPI 接口主要应用在 EEPROM、
FLASH、实时时钟、AD 转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
SPI 接口是在 CPU 和外围低速器件之间进行同步串行数据传输,在主器件的移位
脉冲下,数据按位传输,高位在前,低位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来
说比 I2C 总线要快,速度可达到几 Mbps。
特点:SPI 一共有 11 位有用信号,每位信号差分成两个信号用来提高传输抗干扰
性,在物理连接上用标准 25 芯 D 型插头座(DB25)传输,因此连线多且复杂,传输距
离短,容易出现故障。而 ASI(异步串行接口)用串行传输,只需要一根同轴电缆线,
连线简单,传输距离长。
缺点:没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。
1.3 接口信号
(1)MOSI – 主器件数据输出,从器件数据输入
(2)MISO – 主器件数据输入,从器件数据输出
(3)SCLK –时钟信号,由主器件产生,最大为 fPCLK/2,从模式频率最大为 fCPU/2
(4)NSS – 从器件使能信号,由主器件控制,有的 IC 会标注为 CS(Chip select)
在点对点的通信中,SPI 接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单
高效。在多个从器件的系统中,每个从器件需要独立的使能信号,硬件上比 I2C 系统
要稍微复杂一些。
SPI 接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为 8 位,在主
器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下,按位传输,高位在前,低位在后。如下图
1 所示,在 SCLK 的上升沿上数据改变,同时一位数据被存入移位寄存器。
电子线路与仿真技术课程设计说明书
2
图 1 接口内部硬件连接图
串行外设接口 (SPI) 总线是一种运行于全双工模式下的同步串行数据链路。用于
在单个主节点和一个或多个从节点之间交换数据。SPI 总线实施简单,仅使用四条数
据信号线和控制信号线(请参见图 2)。
图 2 基本的 SPI 总线
1.4 数据传输
数据传输通常会包含一次数据交换。当主节点向从节点发送数据时,从节点也会
向主节点发送数据。为此,主节点的内部移位寄存器和从节点被设置成环形(请参见
图 3)。
图 3 两个移位寄存器形成一个内部芯片环形缓冲器
在一个 SPI 时钟周期内,会完成如下操作:
(1) 主机通过 MOSI 线发送 1 位数据,从机通过该线读取这 1 位数据;
(2) 从机通过 MISO 线发送 1 位数据,主机通过该线读取这 1 位数据;
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