王若男，韓進(jìn)

（山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266510）

MSP430單片機(jī)具有豐富的外圍模塊，如MSP430F449就包含8組I／O端口、精密模擬比較器、硬件乘法器、串行通信可軟件選擇UART／SPI模式等。在實(shí)際的應(yīng)用中，USART接口具有極佳的通用性，出于擴(kuò)展接口的目的，往往通過軟件模擬SPI，以獲得更多的SPI接口。本文就是通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)了SPI通信，來驅(qū)動(dòng)和控制數(shù)字電位器的。數(shù)字電位器也稱為數(shù)控電位器，是一種用數(shù)字信號(hào)控制阻值改變的器件。數(shù)字電位器與機(jī)械式電位器相比，具有可程控改變阻值、耐震動(dòng)、噪聲小、壽命長(zhǎng)、抗環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，因而在自動(dòng)控制、智能儀器儀表、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等許多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

1 SPI概述

串行外圍設(shè)備接口SPI（Serial Peripheral Interface）總線技術(shù)是一種同步串行接口，其硬件功能很強(qiáng)，所以與SPI有關(guān)的軟件相當(dāng)簡(jiǎn)單，使CPU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。SPI總線上可以連接多個(gè)可作為主機(jī)的 MCU，裝有SPI接口的輸出設(shè)備、輸入設(shè)備（如液晶驅(qū)動(dòng)）以及A／D轉(zhuǎn)換等外設(shè)，也可以簡(jiǎn)單連接到單個(gè)TTL移位寄存器的芯片。總線上允許連接多個(gè)設(shè)備，但在任一瞬間只允許一個(gè)設(shè)備作為主機(jī)。串行模塊工作在SPI模式，通過4線（SOMI、SIMO、SCK 及STE）或者3線（SOMI、SIMO、SCK）同外界通信：

SOMI——串行數(shù)據(jù)輸入（從出主入）。

SIMO——串行數(shù)據(jù)輸出（主出從入）。

SCK——串行移位時(shí)鐘。

STE——從機(jī)模式發(fā)送／接收允許控制信號(hào)。

數(shù)據(jù)的傳輸由SCK決定，數(shù)據(jù)可以在SCK的上升沿或者下降沿輸出。因?yàn)镾PI接口定義具有很大的靈活性，因此導(dǎo)致各個(gè)廠商帶有SPI接口的芯片在工作時(shí)序上并不一致，所以使用時(shí)要注意芯片SPI接口工作時(shí)序的差別。

2 數(shù)字電位器構(gòu)成及應(yīng)用說明

本文用到的是MCP4251數(shù)字電位器，該電位器是雙電阻網(wǎng)絡(luò)的，MCP4251器件框圖如圖1所示。

利用該器件可以構(gòu)造一些線性的函數(shù)，這些函數(shù)可以用抽頭和接線端B之間的電阻來表示。數(shù)學(xué)模型為：

圖1 MCP4251器件框圖

該器件支持SPI串行協(xié)議。該SPI以從模式工作，最多使用4個(gè)引腳。這些引腳是CS（片選）、SCK（串行時(shí)鐘）、SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）、SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）。圖2給出了典型的SPI接口。

圖2 SPI接口

MCP4251的SPI模塊支持兩種標(biāo)準(zhǔn)的SPI模式，分別是模式00和11。SPI模式由SCK引腳的狀態(tài)決定。在模式00下，SCK空閑狀態(tài)＝低電平，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿從SDI引腳傳入，在SCK的下降沿從SDO引腳傳出。在模式11下，SCK空閑狀態(tài)＝高電平，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿從SDI引腳傳入，在SCK的下降沿從SDO引腳傳出。圖3給出了兩種模式下的SPI波形。

在每種模式下，都有4個(gè)可能的命令。8位命令（遞增抽頭和遞減抽頭命令）中包含命令字節(jié)，而16位命令（讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)命令）中包含命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。命令字節(jié)中包含兩個(gè)數(shù)據(jù)位。圖4給出了通用SPI命令格式。

圖3 SPI波形圖

圖4 SPI命令格式

3 MSP430軟件模擬SPI串口的實(shí)現(xiàn)

本文采用MSP430F449單片機(jī)的I／O口模擬SPI通信，選用SCK下降沿輸出、上升沿輸入的SPI三線接口類型。定義單片機(jī)MSP430F449的P3.4端口為輸出MOSI，P3.5端口為時(shí)鐘信號(hào)SCK，P3.7端口為片選輸入CS，P4.0端口為輸入 MISO。在P3.5下降沿時(shí)，輸出數(shù)據(jù)data的高位，然后把P3.5的電壓拉高，data中的數(shù)據(jù)依次右移1位，再將P3.5的電平拉低，再次輸出data的高位，實(shí)際這時(shí)輸出的是原來data中的次高位，data如此重復(fù)右移8次就完成了1個(gè)字符的輸出。實(shí)現(xiàn)該功能的代碼如下：

同理，把P3.5的輸出電平拉高，制造時(shí)鐘的上升沿，檢測(cè)輸入引腳P4.0的電平，將其記入data中，再將P3.5的輸出電平拉低，這時(shí)就接收好1個(gè)字符位了，然后將data接收到的字符位右移1位，準(zhǔn)備繼續(xù)接收字符下一位，如此重復(fù)8次后就收到1個(gè)完整的字符，代碼如下：

如果是選用SCK下降沿輸入、上升沿輸出的SPI接口類型，只需要把上面接收和發(fā)送程序中SCK的上升沿和下降沿交換即可滿足時(shí)序要求。模擬串口通信的代碼簡(jiǎn)單，靈活性強(qiáng)，可以在具體的SPI讀寫程序中實(shí)現(xiàn)其硬件接口的功能。1個(gè)SPI的時(shí)鐘周期就是執(zhí)行上述模擬串口指令所需要的時(shí)間，因此其串口速率主要由系統(tǒng)時(shí)鐘來決定，提高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率能夠進(jìn)一步提高SPI串口的傳輸速率。

4 MSP430模擬SPI驅(qū)動(dòng)數(shù)字電位器實(shí)例

圖5為芯片與單片機(jī)連接的引腳連接圖。片選CS在低電平時(shí)有效。按照時(shí)序圖和引腳連接圖，首先需要定義MSP430F449的I／O 端口，P3.4為 MOSI，P3.5為 SCK，P3.7為CS，P4.0為 MISO。

由于使用MSP430F449的I／O模擬串口通信，沒有使用中斷函數(shù)，只需要調(diào)用一個(gè)子函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)其功能，因此在操作上相比硬件而言更加簡(jiǎn)單。下面給出了寫數(shù)據(jù)命令和遞增命令的子函數(shù)。

圖5 引腳連接圖

在主程序中進(jìn)行初始化及調(diào)用兩個(gè)子函數(shù)：

此程序通過MSP430開發(fā)工具IAR Embedded Workbench編譯、運(yùn)行，并下載程序運(yùn)行。由于此程序是控制電阻網(wǎng)絡(luò)1的，通過萬用表來測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)1的抽頭和B端之間的電阻變化情況，可以看到電阻呈增長(zhǎng)變化。由此可以看出程序是可執(zhí)行的，而且達(dá)到了預(yù)期的效果。然后在兩端加上電壓，可以發(fā)現(xiàn)所分的電壓也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了良好的分壓功能。表1為電壓表顯示的部分讀數(shù)。

表1 電壓表部分讀數(shù) V

結(jié) 語

本文描述了MSP430F449單片機(jī)模擬SPI通信接口的實(shí)現(xiàn)，并用模擬SPI接口與電位器之間實(shí)現(xiàn)了很好的通信，給出了在IAR編譯環(huán)境下編寫的控制程序，控制電位器抽頭的移動(dòng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)電位器的分壓功能。利用數(shù)字電位器可以模擬一些線性函數(shù)的變化趨勢(shì)，建立數(shù)學(xué)模型來模擬現(xiàn)實(shí)生活中的一些物理量的變化情況。此外該功能函數(shù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，該方法同樣適用于其他類型單片機(jī)。

［1］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］胡大可.MSP430系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［3］張經(jīng)愛，許凱華，劉玉華.基于MSP430的模擬SPI串口通信的實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（5）：1169－1171.

［4］Microchip Technology Inc.MCP413X／415X／423X／425Xdata sheet，2008.