SPI总线数据远距离传输实现
SPI通信总线接口定义及数据传输流程
SPI通信总线接口定义及数据传输流程SPI是一种高速的、全双工的、同步的通信总线，并且至多仅需使用4根线，节约了芯片的管脚，SPI通信协议主要应用于EEPROM、FLASH、ADC、DAC等芯片，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
SPI接口无线模块设备之间采用全双工模式通信，是一个主机和一个或者多个从机的主从模式。
主机负责初始化帧，这个数据传输帧可以用于读与写两种操作，片选线可以从多个从机选择一个来响应主机的请求。
SPI接口定义如下表：由上表也可以看出当SPI设备间数据传输通信时，数据线应该是MOSI连接MOSI，MISO连接MISO，SCLK与SCLK相连，而不是像串口那样TX、RX进行反接。
当只有单一SPI无线模块从机设备时，如果从机设备允许的话，可直接将CS/SS线固定在低电平。
然而类似于MAX1242这款需要CS/SS线的下降沿来触发的射频芯片，则必须将CC/SS线与主机相连。
如下图，为一主一从连接方式。
对于多个从机设备时，则每个从机都需要一根CS/SS线来于主机相连，从而达到主机能与任一从机通信的目的。
如下图，为一主多从的连接方式。
大多数从机设备都有着三态逻辑的特性，因此当设备未被选中时，它们的MISO 信号线会变成高阻抗状态（电气断开）。
没有三态输出的设备则需外接三态缓冲器才能与其他的从机设备共享SPI总线。
数据传输在SPI通信中，SPI主机设备以从机设备支持的频率通过SCLK线给到SPI从机设备，这点也意味着从机是无法主动向主机发送数据的，只能主机轮询向从机发或者从机设备主动通过一个IO口来告知主机数据到达。
在SPI每个时钟周期内，都会进行一次全双工数据的传输。
主机通过MOSI线上发送1bit时，从机也会在读取到之后通过MISO线发送1bit数据出去。
这说明，即使只进行单工通信，也会保持此通信顺序。
SPI传输通常涉及到两个给定了字长的移位寄存器。
例如在主机、从机中的8bit 的移位寄存器。
SPI总线组成及其工作原理
SPI总线组成及其工作原理SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信总线，常用于连接微控制器与外部设备，如传感器、存储器、外设等。
SPI总线由四条信号线组成，包括SCLK（串行时钟线），MOSI（主设备输出从设备输入线），MISO（主设备输入从设备输出线）和SS（片选信号线）。
以下将详细介绍SPI总线的工作原理和其组成部分。
SPI总线采用主从架构，由一个主设备（如微控制器）和一个或多个从设备（如传感器、存储器等）组成。
主设备通过SCLK产生时钟信号来驱动整个通信过程。
主设备通过MOSI线发送数据到从设备，从设备通过MISO线传输数据给主设备。
每个从设备都有一个片选信号线（SS），用于使能该从设备。
当主设备需要与一些从设备通信时，将对应的片选信号线拉低，使该从设备处于选中状态。
1.SCLK（串行时钟线）：SCLK是SPI通信中的时钟信号，由主设备通过该线产生并驱动。
SCLK信号的频率可以由主设备控制，通常可以在MHz级别。
SCLK的上升沿和下降沿都用于同步数据传输。
数据在SCLK的上升沿或下降沿的边沿进行读写操作。
2.MOSI（主设备输出从设备输入线）：MOSI是主设备输出从设备输入的数据线。
主设备通过MOSI将数据传输给从设备。
数据在每个SCLK周期的上升沿或下降沿被写入。
3.MISO（主设备输入从设备输出线）：MISO是主设备输入从设备输出的数据线。
从设备通过MISO将数据传输给主设备。
数据在每个SCLK周期的上升沿或下降沿被读取。
4.SS（片选信号线）：每个从设备都有一个对应的SS信号线。
当主设备需要与一些从设备通信时，将该从设备的SS信号线拉低，使该从设备处于选中状态。
当通信结束后，SS信号线会被拉高，表示该从设备不再被选中。
1.主设备通过控制SS信号线，选中一些从设备开始通信。
2.主设备通过SCLK产生时钟信号，并通过MOSI线发送数据给从设备。
3.从设备在SCLK的上升沿或下降沿将数据写入MISO线，传输给主设备。
SPI总线数据远距离传输实现
SPI总线数据远距离传输实现
梁德坚;刘玉琼
【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2009(000)001
【摘要】SPI总线是一种应用广泛的短距离串行同步通信协议,针对SPI总线数据不能进行远距离传输的问题,本文介绍了采用RS422/RS485通信协议,利用MAX3045和MAX3093芯片构成RS422/RS485收发电路,将SPI总线数据由单端不平衡传输方式转换为双端平衡传输方式,利用5类双绞线作为传输介质,使得SPI总线数据可靠传输距离延长至1200 m,扩展了SPI总线的应用范围.
【总页数】4页(P72-75)
【作者】梁德坚;刘玉琼
【作者单位】柳州运输职业技术学院,柳州,545007;柳州运输职业技术学院,柳州,545007
【正文语种】中文
【中图分类】TN919.71
【相关文献】
1.PLC配合光传输技术实现远距离传输控制在水电厂的应用 [J], 汤红梅;孙喆
2.实现高质量、远距离传输非压缩数字传输方案解析 [J], 李卫国
3.采用SPI总线实现光传输设备控制总线的传输 [J], 嵇凌;郑鹏;龚华达
4.基于SPI高速分时复用/解复用的方法实现数据传输及其FPGA实现 [J], 李淼;吴必旗;李娟娟;王兴波
5.基于SPI高速分时复用/解复用的方法实现数据传输及其FPGA实现 [J], 李淼;吴必旗;李娟娟;王兴波
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spi原理
spi原理SPI原理。
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行数据总线，它是一种用于连接微控制器和外围设备的通信协议。
SPI总线由四根线构成，分别是时钟线（SCLK）、主设备输出从设备输入线（MOSI）、主设备输入从设备输出线（MISO）和片选线（SS）。
SPI总线可以实现全双工通信，同时可以连接多个从设备，因此在嵌入式系统中得到广泛应用。
SPI总线的工作原理如下，首先，主设备通过片选线选中需要通信的从设备，然后通过SCLK线提供时钟信号，将数据按位发送到从设备的MOSI线，同时从设备将数据按位发送到主设备的MISO线。
在数据传输过程中，主设备和从设备的时钟必须同步，这样才能正确地进行数据传输。
在数据传输结束后，主设备通过片选线取消对从设备的选择，从而完成一次通信过程。
SPI总线的工作原理非常简单，但是它具有以下几个特点：1.高速传输，SPI总线可以实现高速的数据传输，因为它是同步传输，时钟信号的频率可以达到几十兆赫，甚至更高。
这使得SPI总线非常适合需要高速数据传输的应用场景，比如存储器接口、显示设备接口等。
2.全双工通信，SPI总线可以实现全双工通信，主设备和从设备可以同时进行数据的发送和接收，这样可以大大提高通信效率。
而且，SPI总线可以连接多个从设备，主设备可以通过片选线选择需要通信的从设备，从而实现多个从设备之间的通信。
3.简单灵活，SPI总线的硬件连接非常简单，只需要四根线就可以实现通信，而且SPI总线的通信协议也非常简单。
这使得SPI总线非常适合在资源有限的嵌入式系统中使用。
在实际的应用中，为了提高SPI总线的稳定性和可靠性，通常会在硬件上添加一些额外的电路，比如加上电平转换器、添加阻抗匹配电路等。
而在软件上，通常会使用专门的SPI驱动程序来控制SPI总线的通信，以便更加方便地使用SPI总线进行数据传输。
总的来说，SPI总线是一种非常简单、灵活、高效的通信协议，它在嵌入式系统中得到了广泛的应用。
在ZedBoard下SPI接口和ARM处理器端实现以太网远端传输的设计
在ZedBoard下SPI接口和ARM处理器端实现以太
网远端传输的设计
摘要：该文介绍了ZedBoard平台下可编程逻辑端SPI接口和ARM处理器端以太网远端传输的设计。
结合实例阐述了可编程逻辑端SPI接口设计和Linux下IP驱动生成，以及采用UDP/IP协议实现以太网传输的技术。
实验结果证明了该系统能够精确地完成实时数据传输。
随着嵌入式技术和市场需求的不断发展，嵌入式设备之间进行信息交互以及数据远端传输成为嵌入式系统的一个重要的环节。
在嵌入式应用中以太网是解决远端传输高效可行的技术，如进行远端监控、控制和远端异常检测，可节省大量的人力和财力［１］。
如今，硬件设备间的通信通常采用WISHBONE 总线协议、I2C总线协议、UART协议等。
SPI是串行外围接口协议，相比其他协议具有传输速度快、应用简单和占用引脚资源少等优点［２］。
本文利用全可编程片上系统特性实现了一种基于ZedBoard的SPI 接口及以太网远端传输的设计方案，完成Linux下硬件设备间应用SPI协议通信和数据的远端传输功能，采用ＰＬ端制定接口控制模块SPI IP核并且编写Linux下IP核驱动的方法实现接口控制，Linux系统下UDP/IP协议进行以太网远端传输。
同时充分利用了ZedBoard平台主芯片Zynq-7000双核Cortex A9 ARM核和可编程逻辑于一体的特性，为软硬件设计提供了很强的灵活性。
单片机中SPI接口的工作原理与应用案例
单片机中SPI接口的工作原理与应用案例一、工作原理SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步的串行通信接口协议，常用于单片机和外围设备之间进行数据传输。
它由一个主设备和一个或多个从设备组成，可以同时控制多个从设备。
SPI接口通过四个信号线进行通信：时钟线（SCLK）、主设备输出从设备输入线（MOSI）、主设备输入从设备输出线（MISO）、片选线（SS）。
工作时，主设备驱动时钟线发送时钟信号，从而控制数据传输的时序。
主设备通过MOSI线发送数据到从设备，从设备通过MISO线返回数据给主设备。
片选线用于选择哪个从设备与主设备进行通信，可以通过使能或禁用相应的从设备。
SPI通信的数据传输方式有两种：全双工和半双工。
全双工允许主设备和从设备同时发送和接收数据，而半双工只允许主设备和从设备交替进行数据传输。
SPI 接口的工作速率可以根据应用需求进行调整。
在SPI接口中，主设备控制时钟的频率，从设备根据时钟频率进行数据读取和传输。
二、应用案例1. 存储器扩展模块一个常见的应用案例是在单片机系统中使用SPI接口来扩展存储器容量。
通过连接一块外部存储器，可以实现对大容量数据的读写操作。
主设备通过SPI接口发送读写指令和地址信息，从设备接收指定地址的数据，并将数据返回给主设备。
通过这种方式，可以轻松扩展单片机的存储容量。
2. 传感器数据采集模块SPI接口广泛应用于传感器数据采集模块。
传感器作为从设备连接到单片机系统，通过SPI接口将采集到的数据传输给主设备。
主设备可以根据需要发送控制命令到从设备，从而实现对传感器的配置和采集频率等参数的调整。
例如，温度传感器可以通过SPI接口将采集到的温度数据传输给单片机系统，从而实现实时温度监测。
其他类型的传感器，如加速度传感器、压力传感器等，也可以通过SPI接口与单片机进行数据交换，实现对环境参数的监测和控制。
3. 外部显示模块SPI接口还常被用于连接外部显示模块，如液晶显示屏（LCD）。
spi总线工作原理
spi总线工作原理
SPI（Serial Peripheral Interface）总线是一种同步串行通信协议，它主要用于在微控制器或其他数字集成电路之间传输数据。
SPI总线由一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）组成。
主设备通过与从设备之间发送和接收数据的方式来与其进行通信。
SPI总线的工作原理如下：
1. 首先，主设备选择要与之通信的从设备。
这是通过在片选引脚上拉低电平来实现的。
其他从设备的片选引脚应保持高电平。
2. 接着，主设备通过时钟引脚（SCK）生成时钟信号，此时数据传输开始。
3. 主设备通过主输出(MOSI)引脚发送数据，从设备通过主输
入(MISO)引脚接收数据。
在每个时钟周期中，主设备和从设
备在SCK上的上升沿或下降沿进行数据交换。
4. 数据传输时，主设备先发送一个起始位（通常是高电平）并将其传输到从设备。
5. 接下来，主设备和从设备同时发送并接收数据，每一个时钟周期传输一个位。
数据传输的顺序是从最高位（MSB）到最
低位（LSB）。
6. 当所有数据位都传输完毕后，主设备通过拉高片选引脚结束
与从设备的通信。
7. 在通信结束后，主设备可以选择与其他从设备进行通信，或者在下一个时钟周期中重新选择与之前的从设备进行通信。
SPI总线的工作原理简单而直观。
它具有高速、可简化电路设计等优点，因此在很多嵌入式系统中得到了广泛应用。
实验十一单片机之间SPI总线通信实验
实现了两台单片机之间的SPI总线通信，成功传输 了数据。 掌握了SPI总线的通信协议和基本原理。
回顾本次实验成果和不足之处
• 熟悉了单片机的编程和调试过程。
回顾本次实验成果和不足之处
不足
在实验过程中，出现了数据传输错误的情况，需要进 一步排查问题。
对SPI总线的通信速率和稳定性还需要进一步优化。
稳定性测试
通过示波器等工具测试硬件平台 的信号稳定性和噪声水平，确保 硬件平台正常工作。
编写并调试软件代码实现通信功能
软件代码编写
根据SPI总线通信协议和单片机编程 语言规范，编写实现SPI通信功能的 软件代码。
代码调试
通过单步调试、断点设置等方法，对 编写的代码进行逐步调试，确保代码 逻辑正确且能够实现预期的通信功能 。
SPI通信协议
SPI通信协议定义了四种通信模式，包括主模式、从模式、 CPOL和CPHA的不同组合，以满足不同器件之间的通信需 求。
SPI接口电路
SPI接口电路包括主控制器、从控制器、时钟信号线、数 据输入线、数据输出线和片选信号线等部分，用于实现主 从器件之间的数据传输。
单片机之间通信需求
01
02
03
数据传输需求
单片机之间需要进行数据 传输，以实现信息共享、 协同工作等功能。
实时性要求
单片机之间的通信需要满 足一定的实时性要求，以 确保数据传输的准确性和 及时性。
可靠性要求
单片机之间的通信需要具 备一定的可靠性，以避免 数据传输错误或丢失等问 题。
实验目标与意义
实验目标
通过搭建单片机之间的SPI总线通信实验平台，实现两个单片机之间的数据传 输，验证SPI总线通信的可行性和稳定性。
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2009年1月第1期电子测试EL ECTRON IC TESTJ an.2009No.1SPI 总线数据远距离传输实现梁德坚,刘玉琼(柳州运输职业技术学院 柳州 545007)摘 要:SPI 总线是一种应用广泛的短距离串行同步通信协议,针对SPI 总线数据不能进行远距离传输的问题,本文介绍了采用RS422/RS485通信协议,利用MAX3045和MAX3093芯片构成RS422/RS485收发电路,将SPI 总线数据由单端不平衡传输方式转换为双端平衡传输方式,利用5类双绞线作为传输介质,使得SPI 总线数据可靠传输距离延长至1200m ,扩展了SPI 总线的应用范围。
关键词:SPI 总线;远距离数据传输;RS422/RS485通信协议中图分类号:TN919.71 文献标识码:BR emote transmission of SPI bus dataLiang Dejian ,Liu Yuqiong(Liuzhou Transport Vocational Technical College ,Liuzhou 545007,China )Abstract :The SPI bus is a kind of communication p rotocols t hat serial synchronous were found wide use in short distance.It is countered t he question t hat t he SPI bus data can πt be remote(data )t ransmission.In t his text ,we introduce to use communication protocol of RS422/RS485.U se MAX3045&MAX3093chip s to constit ute RS422/RS485transceiver circuit.The t ransmis 2sion mode of t he SPI bus data is changed f rom imbalance t ransmission mode to be balance t rans 2mission mode.U se Cat.5twisted 2pair to be t ransmission medium ;to make t hat t he reliable dis 2tance of t he SPI bus data can be extend t hrough to 1200meter.To expanded t he applied range of t he SPI bus.K eyw ords :t he SPI bus ;remote data t ransmission ;p rotocol of RS422/RS480 引 言SPI 总线是Motorola 公司提出的一种同步串行外设接口协议,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。
由于该总线占用的接口线少,而且速度快,能够同时收发,通信效率高,支持这种总线的器件众多,包括E 2PROM 、A/D 、D/A 、实时时钟、以及L ED 、L CD 驱动器件等,是一种非常基本的外设接口,得到了广泛地应用。
SPI 使用4条线:串行时钟线(SL C K )、低电平有效的从机选择线(SS )、主机输入/从机输出线(MOSI )、主机输出/从机输入线(MOSI ),其接口连接如图1所示。
SPI 总线通信协议简单,传输速度快,通信效率高等诸多优点,但其传输距离较近的测试工具与解决方案2009.1缺点,限制了它的使用的范围,如果在保持相当的传输速率,并能解决SPI 总线传输距离近,可以极大地拓展SPI 总线应用的范围。
图1 SPI 接口连接示意图1 SPI 总线传输距离短的原因分析及解决办法 SPI 数据总线传输距离近的主要原因是因为SPI 总线采用的是单端不平衡传输的数据传输方式。
在信号传输过程中,对信号产生干扰的不仅仅是电场,诸如磁场、振动、温度等均可对信号造成干扰、在信号传输过程中受到干扰的程度与信号线质量和传输距离有很大关系,信号频率越高、信号传输线质量越差、传输距离越长则受到干扰的程度就越大。
在单端不平衡传输过程中,对于已引入到信号线中的干扰是无法消除或削弱的,严重的话会造成数据传输的错误。
另外,在单端不平衡传输方式中,需要一个公共的地线作为参考点,地线同时也是信号电流的回线,存在着信号电流,当被此传输线连接着的两个系统之间存在着交流电位差时,这个交流电位差将直接窜到信号中,造成噪声干扰。
基于上述原因使得SPI 总线数据的传输距离仅局限于板、卡级别的短距离数据传输。
采用双端平衡传输是长距离数据传输常用的一种方式。
双端平衡传输的信号为幅度相等、相位相反的信号,传输线一般为双绞电缆,这两根线走向、材质一致,因此对地阻抗一致。
在双端平衡传输通道中,所接收的外部电磁干扰在导线内产生的干扰是一致的,对信号接收端来说这是一种共模干扰,这种共模干扰可用适当的电路加以消除或极大的抑制,在很大程度上提高了信号传输的质量。
将SPI 数据总线由单端不平衡传输方式改为双端平衡传输方式,可以极大地提高其数据传输的距离,实现SPI 数据远距离的传输。
2 实现SPI 总线数据远距离传输电路实现平衡传输的电路有多种,RS422和RS485是工业中远距离传送数据信号使用最多的一种方式。
MA X3045和MA X3093芯片是美国美信公司出品的多路RS422/RS485收发器芯片,其中MAX3045是四通道RS422/RS485发送器,设计用于通过双绞线传送数字数据。
MAX3093芯片是四通道RS485/RS422接收器,两芯片均为5V 单电源供电,支持热插拔输入能够在电路启动过程中禁止错误数据的传输,具有ESD 保护电路,可用于对ESD 敏感的应用系统中。
本电路中仅使用其中三个通道,各线对数据信号为单方向传输,也就是采用RS422的通信方式。
主设备处为发送端,远端为接收端,两者通过5类双绞线连接,构成高速单向RS422数据传输系统,图2为电路原理图。
图2 电路原理图3 系统测试将主设备端(一般为单片机)产生的SCL K 、2009.1Test Tools &SolutionsMOSI 、SS 信号接至数据传送端,接收端用串行接口的MAX 7221显示驱动芯片,驱动8位L ED 数码管显示,数据接收端接MAX 7221芯片的相应的数据输入端口,传输介质采用4箱(305m/箱)5类双绞线连接起来作为传输介质,经实际测试,传输距离为1220m 时,数据传输速率达到100kHz 时,MAX 7221仍可正常工作,所接L ED 数码管显示数据正确。
图3为发送端和接收端的实测串行时钟(SC L K )信号的波形图。
图4为接收端串行时钟信号的传输时延,通过图4可以看出,经过1200m 长距离的信号传输,接收端的信号较发送端有7.3μs 的时延,因为SPI 总线是一个同步数据通信协议,它是以串行时钟信号SC L K 上升沿或下降沿,作为接收端数据采集的时刻,只要接收端的SC L K 与MOSI 信号的时延基本保持一致,就可以保证数据的正确性。
4 使用中的注意事项(1)当SPI 总线数据需要双向传输时,需要在主设备处增加RS422接收器,在远端增加RS422发送器,以实现SPI 总线数据的双向传输。
此时,传输时序就显得尤为重要,时序只有匹配,数据传输才能正常进行。
当传输速率较高时,主设备处接收的数据发生错误,这主要是传输时延造成的影响,可以通过降低数据的传输速率解决这个问题。
实验表明,当SPI 时钟频率控制在40k Hz 左右时,主设备处数据接收稳定可靠无差错。
(2)注意传输介质对数据传输的影响。
在选择传输介质时,应选择优质的5类或5类以上的双绞线作为传输线路,线路的连接需牢固可靠。
劣质的双绞线,线路阻抗大,更有甚者同一根双绞线内各线对之间的电阻和信号传输时延有很大差异,给数字信号传输带来很大的影响。
(3)RS422/RSv485网络中需要终接电阻,要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。
在短距离传输时可以不接终接电阻,即一般在300m 以下不需终接电阻。
在RS422网络中终接电阻接在传输电缆的最远端,终接电阻一般取值100Ω,相当于电缆特性阻抗的电阻,因为大多数非屏蔽双绞线电缆的特性阻抗大约在100Ω左右。
这种匹配方法简单有效,但有一个缺点,匹配电阻要消耗较大功率,对于功耗限制比较严格的系统,可采用比较省电的RC 匹配方式,如图5,利用一只电容C 隔断直流成分,可以节省大部分功率。
图5 RC 匹配方式5 结 论通过将SPI 数据总线由单端不平衡传输变换为双端平衡传输方式,解决了SPI 数据信号仅适用于近距离数据传输的弊端,使得SPI 数据信号能可靠地传送至1200米的远距离。
若应用系统中SPI测试工具与解决方案2009.1总线数据仅为单方向传输时,还可以并接多个相同的SPI 设备,达到同时向不同地域多个器件传送数据的目的。
该电路简单可靠,在地理空间位置上,极大地拓展了SPI 器件使用的范围,已在多个项目中得到使用,并取得良好的效果。
参考文献[1] 孙东,韩绍坤,邢怀飞.自制RS232/RS485转换器应用[J ].电子测量技术,2005(3):11213.[2] 冯娟,黄宏光,金晶.基于RS485协议的解码器及转换器[J ].电子测量技术,2006(3):22226.[3] 成晓庆,晏波,黄自祥.RS422、RS 2485接口电路设计中应注意的几个问题[J ].电子工程,2005(1):32235.[4] 李德庆,宋斌.RS422/RS485总线模型分析与应用[J ].电子元器件应用,2008(1):41243.[5] 郭静华,欧阳斌林.SPI 总线从机接口实时模拟的实现[J ].东北农业大学学报,2007(10):2122214.[6] 黄军飞.改单端不平衡为双端平衡传输转换器的设计制作.西部广播电视,2000(6):123.[7] MAXIM.http ://www.maxim /pdf serv/en/ds/MAX3093E 2MAX3094E.pdf [EB/OL ].[8] MAXIM.http ://www.maxim /pdf serv/en/ds/MAX30402MAX3045.pdf [EB/OL ]. 作者简介梁德坚(19642),男,实验师,华中科技大学控制工程研究生,研究方向为计算机在工业控制中的应用,智能控制。