基于半双工机制实现3线制双向SPI模块的设计与应用
串行外围设备接口spi（serial peripheralinterface）总线技术是motorola公司推出的一种微处理器、微控制器及其外设间的一种全／半双工同步串行数据接口标准，具有连接线少、传输效率高等特点，因其硬件功能很强，与spi有关的软件就相当简单，使cpu有更多的时间处理其他事务。
spi接口一般采用4条连接线：串行时钟线（sck）、主机输出／从机输入数据线（mosi）、主机输入／从机输出数据线（miso）和低电平使能的从机选择线（ss），有的还带有中断信号线（int），半双工或单向模式则不需要主机输出／从机输入数据线（mosi）。为了在减少引脚的基础上完成主从机的双向通讯，本文采用半双工机制实现了一种3线制双向spi总线模块，即通过使能信号实现数据传输的方向控制，因此将主机输出／从机输入（mosi）线和主机输入／从机输出线（miso）线合并为一条双向信号线。该模块是某射频芯片中的接口模块，其作用是实现基带芯片对射频芯片的控制以及数据交换，而且为了便于和射频电路集成，该模块最终以硬ip形式实现。
1 spi总线协议
射频芯片的spi接口具有两个主要特征：slave工作模式和半双工方式通讯。
spi接口信号描述如表1。
接口时序要求如下：
1）输出时序
当sen为高电平时，spi接口处于输出状态。每次数据传输开始于sck信号的上升沿。数据传输过程中，数据由sck信号控制，并遵循下列规则：数据传输时，低位在前，高位在后；每个输出数据位在sck下降沿采样；当本帧数据输出达到24 bit时，结束数据输出；当本帧数据输出超过24 bit时，则多余位数全为高电平。
2）输入时序
当sen为低电平时，spi接口处于输入状态。每次数据传输开始于sen信号的下降沿，结束于其上升沿。数据传输过程中命令和数据有sck和sen信号控制，并遵循下列规则：数据传输时，低位在前，高位在后；每个输入数据在sck下降沿移入mosi；当本帧数据输入为24 bit时，当sen转为高电平时，将已输入的24 bit数据写入rf ic内部寄存器；当本帧数据输入不足24 bit或多于24 bit时，放弃本帧输入，等待下一帧。
射频spi接口的最大特点就是采用半双工通讯机制，串行数据的输入／输出共用一条数据线，因此spi接口数据通路的设计和普通的4线制spi接口完全不同。
2 实现方案
2.1 总体结构
spi接口电路主要由读／写控制器、串行寄存器组、输出寄存器组和内部定时器四部分构成，如图1所示。
在spi接口模块中，数据交换的核心是串行寄存器组，读、写控制器根据外部方向选择信号sen交替控制串行寄存器组的输人和输出。
2.2 串行寄存器组
串行寄存器的作用是接收射频芯片内部状态信息并转换成24 bit串行数据输出，以及接收外部串行控制字输入并转换成30 bit并行数据输入射频芯片，其基本结构如图2所示。串行寄存器组是半双工方式spi接口设计的核心，输入和输出数据共享此数据通路，必须保证数据传输方向的正确切换。本文采用串行寄存器链+输入选择器方式实现输入和输出数据间的切换。
2.3 读控制器
读控制器的作用是在sen为高电平的周期内，控制串行寄存器组在第一个sck上升沿到来时接收指定的24 bit射频芯片内部信号，并将最低位串行输出，然后在剩下的23个时钟周期内将余下的23 bit数据串行输出，读控制器结构如图3所示。
2.4 写入寄存器组
写入寄存器的作用是在sen信号的上升沿接收串行寄存器组的输出，并将结果写入射频芯片的内部模块。其中射频芯片比较特殊的要求是根据写入控制字第7位选择将串行输入数据的第0～6 bit数据写入两个不同的控制寄存器中的一个，这样，写入寄存器组的输出位数就变成了30 bit，输入为23 bit。输出寄存器的结构如图4所示。
2.5 写控制器
写控制器的作用是在sen信号的低电平周期内，判断写入数据是否恰好满足24 bit以使能输出寄存器组，另外根据写入数据的第8位控制低7位数据的写入方向（寄存器a或寄存器b）。写控制器的结构如图5所示。
3 实现结果
图6是采用verilos实现的spi接口的部分功能仿真波形，测试激励首先将spi接口置于发送模式下（sen为高电平），spi接口将从内部获得的信息码“24’hfffffe”正确地串行发出；测试激励再将spi接口置于接收模式下（sen为低电平），spi接口正确接收外部发送的“24’hfffff8”，并转换成内部的“30’h3ffc078”。为了保证收发方向切换在一个时钟周期内完成，sen信号的转换在接口时钟的下降沿完成。通过nc-verilog仿真，spi接口功能正确，工作时序符合设计要求。
4 结论
本spi接口模块已成功应用在一个射频芯片中，以硬ip的形式集成进射频模块中。spi接口电路在0.18 μm工艺下实现后的版图总尺寸约为240 μm×460 μm，最高工作频率原高于10 mhz的设计上限，相应在10 mhz下的功耗约为2 mw。
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1 spi总线协议
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1）输出时序
当sen为高电平时，spi接口处于输出状态。每次数据传输开始于sck信号的上升沿。数据传输过程中，数据由sck信号控制，并遵循下列规则：数据传输时，低位在前，高位在后；每个输出数据位在sck下降沿采样；当本帧数据输出达到24 bit时，结束数据输出；当本帧数据输出超过24 bit时，则多余位数全为高电平。
2）输入时序
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2.2 串行寄存器组
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2.3 读控制器
读控制器的作用是在sen为高电平的周期内，控制串行寄存器组在第一个sck上升沿到来时接收指定的24 bit射频芯片内部信号，并将最低位串行输出，然后在剩下的23个时钟周期内将余下的23 bit数据串行输出，读控制器结构如图3所示。
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