Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

Синхронный интерфейс SPI поддерживает синхронный последовательный обмен между МК и другими ИС, установленными на плате изделия. Эти интегральные схемы дополняют функции периферии микропроцессорной системы, которые не могут быть реализованы средствами встроенных модулей МК. Именно поэтому в названии этого интерфейса присутствует термин «периферийный». Интерфейс SPI также используют для связи двух МК, однако такое решение встречается в разработках не столь часто, как обмен с периферийными ИС.

Рис. 4.55. Сопряжение МК с ЦАП по параллельному и последовательному интерфейсу

При обмене в синхронном режиме в одном направлении (рис. 4.54) используются две линии связи между устройствами. По одной линии передаются данные, на другой в это время формируются сигналы синхронизации. То устройство, которое формирует импульсы синхронизации, называется ведущим или «master», а то устройство, которое использует эти сигналы синхронизации — ведомым или «slave».

Теоретически скорость обмена в синхронном режиме значительно превышает скорость обмена в асинхронном режиме.

При обмене между двумя устройствами информация передается порциями, которые в терминологии последовательного обмена принято называть кадрами. Каждый кадр содержит определенное число бит данных и дополнительные биты, которые используются для установления надежной связи между передающим и принимающим устройствами. Одной из задач по обеспечению надежной связи является задача синхронизации обмена. Принимающее устройство должно по определенной комбинации сигналов на линиях связи распознать начало каждого нового кадра. В противном случае одна ошибка при передаче какого-либо кадра вызовет нарушение приема всех последующих кадров сеанса связи.

Интерфейсы последовательного обмена используют различные способы синхронизации обмена. Формат кадра асинхронного обмена представлен на рис. 4.56. В асинхронном режиме с использованием интерфейса SCI данные передаются байтами в стандартном американском коде ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Кроме восьми битов данных кадр обмена содержит также стартовый и стоповый биты, отмечающие начало и конец кадра, и необязательный бит паритета. Стартовый и стоповый биты участвуют в процессе синхронизации между передатчиком и приемником, бит паритета (если он присутствует в кадре) используется для контроля на стороне приемника за наличием ошибок в принятом байте данных.

Рис. 4.56. Форма кадра асинхронного обмена

Контроллер интерфейса SCI в составе МК 68HC12 обслуживают две линии ввода/вывода: TxD — выход передатчика контроллера SCI, RxD — вход приемника контроллера SCI. При использовании асинхронного интерфейса SCI взаимодействующие устройства перед сеансом обмена должны обязательно «договориться» о скорости передачи данных. Если передатчик находится в неактивном состоянии (Idle), то на его выходе устанавливается сигнал высокого логического уровня (рис. 4.56). В это время приемник аналогичного контроллера SCI на другом конце линии постоянно сканирует уровень сигнала на входе RxD. Если приемник обнаруживает, что сигнал на линии изменил состояние с 1 на 0, то он производит несколько контрольных выборок сигнала, чтобы убедиться в наличии на линии низкого логического уровня. Если низкий уровень присутствует на линии в течение времени, равного интервалу передачи одного бита для установленной скорости обмена, то приемник распознает такое состояние как старт-бит (рис. 4.56) и начинает прием последующих бит данных. В процессе приема аппаратные средства приемника формируют метки времени, которые должны соответствовать середине интервала присутствия на линии каждого бита. По каждой метке производятся три выборки уровня сигнала на линии. По результатам выборки методом мажоритарной логики определяется значение очередного принятого бита информации. Если все три значения равны, то прием бита полностью успешный. Если значения разные, то аппаратные средства приемника устанавливают бит звона на линии, который затем может быть использован программистом при оценке надежности приема. После приема восьми (при использовании бита паритета девяти) бит данных приемник контролирует наличие на линии логической 1. Это стоп-бит, который завершает прием одного кадра. Если аппаратные средства приемника не обнаружили на линии стоп-бита, будет установлен бит ошибки формата кадра. Тогда весь кадр должен быть воспринят программой как ошибочный.

В синхронных последовательных интерфейсах передача по линии каждого бита сопровождается сигналом подтверждения по другой вспомогательной линии. Эту линию в интерфейсе SPI обозначают как SCK (Shift Clock). Такой способ передачи данных позволяет достичь очень высоких скоростей обмена. Именно он и используется в контроллерах SPI в составе МК 68HC12.

4.17.1. Термины последовательного обмена

На рис. 4.57 представлена обобщенная временная диаграмма обмена в последовательном коде. Эта диаграмма позволит нам познакомиться с терминами, которые принято использовать при описании последовательного обмена.

Рис. 4.57. Временные диаграммы синхронного последовательного обмена

Синхронизация (clock): Сигнал, который определяет скорость обмена данными в последовательных синхронных интерфейсах. Как следует из рис. 4.57, каждый бит передаваемых данных сопровождается одним импульсом синхронизации.

Скорость обмена (bit rate): Число бит, которые передаются по линии в одну секунду (бит/с). Скорость обмена в бит/с равна частоте сигнала синхронизации в Гц.

Скорость обмена (baud rate): Число бит, которые передаются по линии в одну секунду, выраженная в бодах. 1 бод = 1 бит/с.

Время передачи одного бита (bit time): Определяет временной интервал, в течение которого по линии передается один бит информации. Вычисляется как 1/(скорость обмена).

Кодирование информации для передачи одного бита (line code): Способ представления одного бита информации при передаче линиям связи.

Микроконтроллеры 68HC12 используют NRZ-кодирование (NonReturn to Zero — код с невозвращением к нулю). Этот способ кодирования предполагает, что при передаче единицы на линию выставляется высокий логический уровень, при передаче 0 — низкий логический уровень.

Рис. 4.58. Временные диаграммы передачи данных в коде с невозвращением к нулю

Стандартный американский код ASCII (American Standard Code for Information Interchange): Принятый всеми производителями вычислительной техники способ кодирования букв и цифр, а также знаков пунктуации. Каждый из перечисленных символов представляется одним байтом. При кодировании букв латинского алфавита используются только 7 младших битов, старший бит байта остается нулевым. В этот бит может быть помещен бит паритета. Таблица кодов представления символов латинского алфавита приведена на рис. 4.59.

  Старший полубайт $0_ $1_ $2_ $3_ $4_ $5_ $6_ $7_ Младший полубайт $_0 NUL DLE SP 0 @ P ` p $_1 SON DC1 ! 1 A Q a q $_2 STX DC2 “ 2 B R b r $_3 ETX DC3 # 3 C S c s $_4 EOT DC4 $ 4 D T d t $_5 ENQ NAK % 5 E U e u $_6 ACK SYN & 6 F V f v $_7 BEL ETB ' 7 G W g w $_8 BS CAN ( 8 H X h x $_9 HT EM ) 9 I Y i y $_A LF SUB * : J Z j z $_B VT ESC + ; K [ k { $_C FF FS , < L l | $_D CR GS - = M ] m } $_E SO RS . > N ^ n ~ $_F SI US / ? O _ o DEL

Рис. 4.59. Коды символов в ASCII