ARM與射頻芯片TRF796x的SPI通信研究

方杰,曾碧

(廣東工業大學,廣州510006)

引 言

SPI(同步串行外圍接口)是由Motorola公司最早提出的,出現在其M 68系列單片機中。它是一種全雙工的同步串行接口,采用主-從模式架構,支持多Slave模式應用,但一般僅支持單Master[1]。由于其簡單實用,又不牽涉到專利問題,因此許多廠家的設備都支持該接口,被廣泛應用于外設控制領域。SPI接口是一種事實標準,并沒有標準協議,大部分廠家都是參照Motorola公司的SPI接口定義來設計的。正因為沒有確切的標準協議,不同廠家的SPI器件接口在技術上存在著一定的差異,有的甚至無法直接互連。本文對SPI器件通信時容易忽略的問題進行了分析。

1 S3C2440A內置SPI接口與工作時序

S3C2440A是Samsung公司生產的ARM 9內核芯片,該芯片內置了2個SPI硬件控制器,大大簡化了與SPI器件的通信[2]。從Samsung公司提供的Datasheet中可以看出,其內置硬件SPI結構主要由4部分構成:時鐘分頻器、8位發送移位寄存器、8位接收移位寄存器、控制邏輯等。其與SPI接口相關的寄存器包括控制寄存器(SPCONn)、狀態寄存器(SPSTAn)、引腳控制寄存器(SPPINn)、預分頻寄存器(SPPREn)、發送數據寄存器(SPTDATn)、接收數據寄存器(SPRDATn,n=0,1)。其SPI接口共有4根信號線,分別是從設備選擇線(SS)、時鐘線(SCK)、串行輸出數據線(MOSI)、串行輸入數據線(MISO)。當S3C2440A作為M aster時,SS信號由S3C2440A驅動輸出,用于選擇激活某從SPI器件,只有當SS信號線為低電平時,對應Slave設備的SPI接口才處于工作狀態。為了滿足不同SPI器件的通信特性,S3C2440A內置的SPI接口定義了4種數據傳輸的工作時序,這4種時序是由控制寄存器(SPCONn)的時鐘極性控制位(CPOL)和時鐘相位控制位(CPHA)聯合進行配置的。從表1可以看出,SPI的工作時序主要是根據數據采樣的時刻(上升沿或下降沿),以及在沒有數據傳輸時SCK信號所保持的狀態來劃分模式的。

根據CPOL和CPHA設置的不同,S3C2440A內置SPI接口的4種工作時序如圖1所示。需要注意的是,SPI通信的數據傳輸是以字節為單位進行的,且高位在前,低位在后,圖1中的*LSB表示上一個傳輸字節的最低位,MSB*是指下一個傳輸字節的最高位。

表1 CPOL和CPHA對SPI時序的影響

圖1 SPI通信的工作時序

2 射頻芯片TRF796x

TRF796x是德州儀器(TI)公司生產的射頻讀寫器芯片,是一個13.56 MH z集成模擬前端和數據幀RFID閱讀系統[3]。其內部可編程配置,外部控制器可直接訪問其內部寄存器來調整讀寫器的各種參數,該芯片被廣泛應用于近距離RFID系統。

TRF796x芯片與處理器之間的通信既可以通過8位并行口也可以通過SPI接口。當采用SPI接口時,TRF796x芯片總是以從設備運行。如果內部的硬件編/解碼器被使用,TRF796x將啟動12個字節的數據緩沖器FIFO來完成數據的傳送和接收。有時候為了使處理器(如MCU)能實時的處理數據,TRF796x會旁路掉硬件編/解碼器,采用直接傳送和接收功能。TRF796x芯片的兩種通信模式是相互排斥的,在應用中的某個時刻只能有一種通信方式被使用。表2中列出了TRF796x的通信方式,可以看出,要實現其SPI通信就必須先對引腳I/O0～I/O2配置成不同的電平。當芯片被使能工作時就會檢測這3個引腳的電平,從而進入相應的通信方式。

當選擇了SPI帶SS通信方式,SS信號為高時SPI處于復位狀態。只有SS信號為低時,時鐘信號才開始工作,串行數據輸入(MOSI)在上升沿采樣,在下降沿確認生效,當SS信號變為高電平時,通信終止。TRF796x的寫操作通信如圖2所示。

表2 TRF796x的通信模式

圖2 TRF796x的SPI接口通信(寫)

TRF796x的單個寄存器讀操作包括一個寫周期和一個讀周期,在寫周期過程中,M ISO引腳上是無效的數據,其時序與寫操作相同,也是上升沿采樣,下降沿確認生效。在寫周期和讀周期之間,需要有半個時鐘周期的極性轉換時間。注意:對于任何讀操作(單個讀、連續讀)來說,該時鐘極性跳變必須被執行,否則不能夠讀到TRF796x寄存器的正確值。在讀周期過程中,數據在下降沿采樣,上升沿時確認生效,而MOSI引腳不應該有任何的跳變,就是說要始終保持高電平或低電平(即0x00或0xFF)。圖3是TRF796x的讀操作時序。

圖3 TRF796x的SPI接口通信(讀)

3 ARM與TRF796x通信的實現

S3C2440A的SPI接口傳輸方式有查詢、中斷、DMA三種,由于TRF796x有專門的IRQ中斷引腳,所以本文選擇ARM芯片SPI接口的查詢方式。S3C2440A作為Master,時鐘頻率通過SPPREn寄存器設置,其頻率f=PCLK/[2(SPPREn的值+1)],f≤25 MHz。控制寄存器SPCONn應該根據具體的通信要求來設置。

對TRF796x的訪問需要區分是寫地址還是寫命令[4],字節的最高位(MSB)決定了該指令是用于命令還是地址。具體的地址/命令字節位描述如表3所列。

表3 地址/命令字節描述

從表3可以看出,如果是單個寫寄存器操作,則發送字節最高3位為000;如果是連續寫寄存器操作,則最高3位001;如果是讀單個寄存器操作,則最高3位010;如果是寫命令,則最高3位100;其他操作不再詳述。

本文采用S3C2440A的SPI0接口與TRF796x通信,其連接圖如圖4所示。從I/O_0～I/O_2的引腳電平可以看出選擇的是SPI帶SS通信方式。其中,EN腳是TRF796x的工作使能引腳,I/O_4是SS腳。當SS置為低且查詢到狀態寄存器SPSTA0的最低位為1(說明SPI發送接收準備好),待發送的數據一旦寫入到發送移位寄存器SPTDAT0中,SPI通信的發送和接收就會同時開始,一般是上升沿發送,下降沿接收。如果只想發送不想接收數據,可以不讀取接收寄存器的內容;值得注意的是,如果只想接收數據,應該寫數據0xFF或0x00到發送移位寄存器,然后才能從接收移位寄存器中讀取數據。

圖4 SPI接口連接圖

下面通過非連續寄存器讀操作來具體說明ARM與TRF796x是如何進行SPI通信的。圖5是對TRF796x的非連續寄存器讀操作的流程。

整個讀操作流程是:

①初始化操作,置EN腳為高電平使能TRF796x工作,將GPE11～GPE13配置成SPI功能,配置S3C2440A作為Master,且選擇查詢工作方式,寫SPPREN 0寄存器來配置通信時鐘頻率。

②寫地址,從圖1和圖3的時序可以看出,要讀

圖5 SPI非連續讀操作流程

TRF796x的寄存器值,必須包含一個寫地址周期和一個讀數據周期。在寫TRF796x的地址之前,必須先設置SPCON0的CPOL和CPHA都為0,這樣通信雙方的時序才能保持一致,而且要將地址字節的最高3位設為010,然后將地址字節寫入發送移位寄存器SPTDAT0中,一旦地址字節發送完,TRF796x就會把相應地址的內容送到M ISO腳上。

③讀數據,在地址字節寫入后,讀數據之前,必須轉換SCK的時鐘極性,從圖1可以看出,需要設置CPOL為0,CPHA為1,這樣就滿足了TRF796x的讀時序要求。寫數據0x00或0xFF到SPTDAT0中,接著就可以從SPRDAT0中讀取數據。

非連續讀操作的實現代碼如下:

//把GPE13設為普通GPIO,并輸出高電平

為了驗證上述的程序,在按照圖4連接電路后,可以選擇讀取TRF7960的09h、0Ah、0Bh寄存器單元的內容,這3個寄存器在系統上電時,分別默認內容為0x11、0x40、0x87。定義一個數組Operation[0]=0x09;Operation[1]=0x0A;Operation[2]=0x0B;調用函數Sing leRead(Operation,3);即可得到3個寄存器的內容并存放在Operation數組中。在RFID門禁系統的開發中,就是采用了這種SPI通信方式實現了ARM對RFID閱讀器芯片的訪問控制。

結 語

本文通過介紹ARM芯片與TRF796x之間的硬件SPI通信方式,說明了在進行SPI器件之間通信時應該注意的問題,強調工作時序在通信時的重要性,最后給出的程序在RFID門禁系統中得到了運用。論文研究對ARM與其他SPI器件之間的通信有一定的參考意義,只要根據SPI器件的工作時序進行稍加修改就能融會貫通。

[1]沈建華.ARM嵌入式系統開發-軟件設計與優化[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[2]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京:清華大學出版社,2003.

[3]凌陽教育.SPI原理與控制器[OL].[2010-06].http://www.51C51.net.

[4]Samsung Electronics.S3C2440A User Manual,2004.

[5]Texas Instruments.TRF796x Datasheet.

[6]朱臣元,俞暉,徐友云.多協議多標簽RFID讀寫器設計[J].微計算機信息,2009(8).