毕设文献综述

文献综述

学院：信息科学与技术学院

专业班级：测控技术与仪器1203班学号：120401301

学生姓名：鲁旭宸

指导教师：

2016年3月10日

SPI总线及多路数据采集的发展及应用

测控技术与仪器专业1203班鲁旭宸120401301

1.前言

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议

2.SPI协议概括

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK （时钟）、CS（片选）。

（1）SDO –主设备数据输出，从设备数据输入；

（2）SDI –主设备数据输入，从设备数据输出；

（3）SCLK –时钟信号，由主设备产生；

（4）CS –从设备使能信号，由主设备控制。

其中，CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

要注意的是，SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输

方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。处理、存储、显示、记录和控制等要求。

2.1 SPI总线时序

SPI接口在Master控制下产生的从器件使能信号和时钟信号，两个双向移位寄存器按位传输进行数据交换，传输数据高位在前，低位在后（MSB first）。如图1所示，在SCK的下降沿上数据改变，上升沿一位数据被存入移位寄存器。

图1

在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：

1) Master通过MOSI线发送1位数据，同时Slave通过MOSI线读取这1位数据

2) Slave通过MISO线发送1位数据，同时Master通过MISO线读取这1位

数据

Master和Slave各有一个移位寄存器，如图2所示，而且这两个移位寄存器连接成环状。依照SCK的变化，数据以MSB first的方式依次移出Master寄存器和Slave寄存器，并且依次移入Slave寄存器和Master寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

图2

另外，SPI有四种工作模式，通过设置时钟空闲时为高或者低的状态，以及数据是在时钟的上升沿或下降沿锁存可将SPI配置成相应的工作模式。

2.2 SPI总线注意点

1) Master配置SPI接口时钟的时候一定要考虑从设备的操作时序要求，因为Master这边的时钟极性和相位都是以Slave为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要确定Slave是在SCK的下降沿还是上升沿输出数据，是在SCK的上升沿还是下降沿接收数据。

2) 当Slave时钟频率小于Master时钟频率时，如果Master的SCK的速率太快，会出现Slave接收到的数据不正确，而SPI接口又没有应答机制确认Slave 是否接收到数据从而导致通信传输数据错误。

3.多路数据采集

3.1 典型数据采集系统

典型数据采集系统配置如图3所示，有的已实现集成化，多个传感器的预处理电路输出接入多路模拟开关，然后经过取样/保持电路和A/D转换后进入CPU 系统。

图3

（1）传感器是经典的利用各种原理将被测物理量转化为电信号。

（2）预处理模块是将模拟信号进行调整、放大，在模拟电路方便实现的基础上对信号进行自动补偿、自动校正，抑制温漂的模块。

（3）数据采集A/D模块将模拟信号进行采样、量化，转化为数字信号。

（4）计算机可能为PC机、单片机或其他专用处理器，具有数据存储、记忆与信息处理功能，具有判断、决策处理功能。

3.2 数据采集系统概述

数据采集是信息科学的一个主要组词成部分，信息技术的核心是信息获取，通信和计算机技术，常被称为3C技术，其中信息获取是基础和前提。数据采集是获取信息的主要手段，它随着科学技术的进步而得到迅速发展。目前各种各样的数据采集系统已得到广泛应用，新型数据采集系统仍不断涌现。

随着科学技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛领域中，计算机控制技术正发挥着越来越主要的作用，然而外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续