三防平板电脑串行外围设备接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口，目前许多公司生产的MCU和MPU都配有SPI总线接口。例如，基于ARM9的S3C2440微处理器配备了两个SPI总线接口，既可以作为主SPI使用，也可以作为从SPI使用。SPI总线可用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通信。SPI总线可以同时发出和接收串行数据，它只需四条线就可以完成 MCU 与各种外围器件的通信，这四条线分别是串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效的从机选择线。可与SPI通信的常用的外围器件有LCD显示驱动器、集成A/D和D/A芯片、智能传感器等。SPI总线接口主要特点如下：

● 可以同时发送和接收串行数据；

● 可以作为主机或从机工作；

● 提供频率可编程时钟；

● 发送结束中断标志；

● 写冲突保护；

● 总线竞争保护等。

2．工作原理与接口方式

三防平板电脑当SPI工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。发送一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。主SPI设备的时钟信号（SCK）使传输同步，在时钟信号的作用下，在发送数据的同时还可以接收对方发来的数据，也可以采用只发送数据或者只接收数据的方式，其通信速率可以达到20 Mbps 以上。SPI 设备系统连接如图1所示。

图1 SPI设备系统连接图

SPI总线有四种工作方式，其时序如图6-24所示，其中使用最为广泛的是SPI0和SPI3方式。

图2 SPI总线四种工作方式时序图

三防平板电脑为了与其他设备进行数据交换，根据设备工作要求，可以对SPI模块输出的串行同步时钟极性和相位进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有太大的影响，如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置，用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样，SPI 主模块和与之通信的外设的时钟相位和时钟极性应该一致。SPI总线数据传输时序如图6-25所示。

图3 SPI总线数据传输时序

图4 SPI总线数据传输时序（续）

3．三防平板电脑基于SPI总线的串行A/D转换器TLC2543及应用

TLC2543是TI公司生产的12位串行开关电容型逐次逼近A/D转换器，具有以下特点。

● 12位分辨率，在工作温度范围内转换时间为10 μs；

● 11个模拟输入通道，3路内置自测试方式；

● 采样率为66 kbps，线性误差为+1LSB；

● 转换结束（EOC）输出，具有单、双极性输出；

● 输出数据长度可编程，内部结构采用CMOS技术。

TLC2543的引脚分布如图6-26所示，引脚功能如下。

图5 TLC2543的引脚排分布

● AIN0～AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对于大于4.1 MHz 的 I/O CLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50 Ω。

● ：片选端，由高到低时将复位内部计数器，并且控制DATA OUT、DATA INPUT和I/O CLOCK信号。由低到高的变化将在一个设置时间内禁止 DATA INPUT 和I/O CLOCK信号。

● DATA INPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/O CLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压。之后，I/O CLOCK将余下的几位依次输入。

● DATA OUT：A/D 转换结果三态输出端，在为高电平时，该引脚处于高阻状态；当为低电平时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置换成相应的逻辑电平。

● EOC：转换结束信号，在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输。

● VCC、GND：电源正端、地。

● REF+、REF-：正、负基准电压端，通常REF+接VCC，REF-接GND，最大输入电压范围取决于两端电压差。

● I/O CLOCK：时钟输入/输出端。

（1）三防平板电脑TLC2543的工作原理。每次转换和数据传输可以使用12或16个时钟周期得到全12位分辨率，也可以选择使用8个时钟周期得到8位分辨率。

一个片选脉冲要插到每次转换的开始处，或者在转换时序的开始时变化一次后保持为低，直到时序结束。图6所示为使用16个时钟周期转换和传输数据，在每次传递周期之间插入的时序，即进行一次转换就操作一次。

图6 在每次传递周期之间插入时序

图7所示为使用16个时钟周期转换和传递数据，仅在每次转换序列开始处插入一次时序，即连续进行多次转换才操作一次。

从图7中可以看出，三防平板电脑在TLC2543的变低时开始转换和传送数据，CPU将通道选择、数据长度选择、前导选择、单双极性选择的控制信息送入 DATA INPUT 引脚的同时，还从DATA OUT引脚读出A/D转换的结果。因此，本次读出的A/D转换结果是上一次操作TLC2543所选择的通道对应的数据。通道选择、数据长度选择、前导选择、单双极性选择这四项的设置数据共8位，I/O CLOCK的前8个上升沿将这8位的工作模式设置数据从DATA INPUT输入数据寄存器。三防平板电脑如果工作在12或16个时钟周期模式，则后4位或8位的DATA INPUT数据没意义，可为任意值，这4或8位只是为了补齐12或16个时钟，使12位的A/D转换结果同步输出。使用16个时钟时，读出的A/D数据为16位，因为有效数据只有12位，所以应根据程序屏蔽高或低4位。

三防平板电脑在I/O CLOCK上升沿时，数据发生变化，即I/O CLOCK低电平时将要写入DATA INPUT的数据准备好；当I/O CLOCK高电平时，读出DATA OUT的数据。

当为高时I/O CLOCK和DATA INPUT被禁止，DATA OUT为高阻状态不能操作。

（2）三防平板电脑TLC2543电路连接图。AT89S52单片机使用I/O口模拟SPI的方式连接TLC2543，其中TLC2543的片选接到P1.7引脚，串行时钟输入端I/O CLOCK接到P1.4引脚，串行数据输入端DATA INPUT接到P1.5引脚，串行数据输出端DATA OUT接到P1.6引脚，转换结束端EOC接到P1.3引脚，TLC2543与单片机的接口电路如图6-29所示，TLC2543的电压基准为5 V，因此TLC2543的量程最大为5 V。

图8 TLC2543与单片机的接口电路

（3）C语言应用程序。用C语言编写的TLC2543应用程序如下。