基于SPI总线的51单片机多机互连编程技术

摘要：串行扩展和串行通信方式已经成为当前单片机系统扩展的主流方式。目前单片机市场上不但有传统的UART串行接口，而且还有SPI、I2C总线等串行接口。SPI接口是一种高速串行通信接口，特别适合于单片机之间的高速通信，但其工作方式较之传统的UART串行通信方式有很大的不同。本文给出SPI接口基础上的各种串行通信工作方式配置及驱动编程，并进行完整的测试。
关键词：单片机；UART；SPI

引言
51系列单片机资源有限，当开发者面对比较复杂的控制任务时，51单片机就力不从心了。在这种情况下，用户可以选用比较高档的单片机机型，比如ARM系列32位单片机等来完成目标控制的任务。还有一种选择方案，就是采用51单片机多机系统方案，用分散控制的方法来实现最终的复杂目标控制任务。
在多机系统的实现过程中，首先要解决的就是多机之间的相互通信连接问题，以保证数据在单片机之间的高效、可靠的传递。MCU之间的通信功能是多机系统实现的基础，也是多机系统可靠运行的关键。

1 SPI接口的特点
SPI接口最大可以提供1 Mb的串行数据传输能力。理论上，比传统的串行通信接口RS232通信速率高得多，因此它非常适合多CPU系统中的CPU之间的数据交换，绝大多数情况下，能够满足通信需求。
与RS232不同的是，SPI采用的是移位寄存器方式实现串行通信的，SPI 工作方式如图1所示。

图1中，MOSI(Master Out and Slaver In)和MISO(Master In and Slaver Out)为SPI接口的通信引脚。从引脚定义可以看出，无论是数据发送，还是数据接收，SPI通信过程始终应当是由主机Master控制。主从机之间的物理连接是同名端直接连接。
其工作过程是：主机对SPI接口的写数据操作完成后，SPI启动数据发送，数据就从主机的MOSI引脚移位输出，按位移位到从机中；一个字节传输完毕后，SPI接口传输标志置位，供软件开发者测试控制编程。由于每位数据传输最快只需要一个机器周期，故其通信速率很快。
这种通信方式，决定了SPI只能够实现近距通信，通常通信距离为数十公分，不超过1 m，而且 SPI的通信双方对通信过程的控制能力比较弱，在系统设计时要保证通信可靠性，必须采用固定主从、连续收发的工作模式。
而UART方式对通信过程的控制能力较强，可以是互为主从、随机收发的工作模式。由于这个区别，决定了SPI的通信编程与传统的RS232有本质的区别。在编程中，应当明确地定义系统中谁是主机，谁是从机，在系统工作过程中，不得变更。并且，所有的通信过程，都是由主机发动。否则，很难保证通信的可靠性。

2 基本协议的设计与实现
采用的单片机是NXP公司的P89V51RD2，其内部集成有大容量的存储器(64 KB Flash、1 KB RAM)，除此之外，还集成有3个定时计数器、UART、PCA、WDT等丰富的接口。它是一款性价比较高的51单片机，为复杂的目标控制提供了物理支持。
其内部也集成了SPI通信接口，由于SPI每位数据传输最快只需要一个机器周期，如果单片机系统采用12 MHz晶振，则传输1位数据，最短只需要1μs。而采用支持RS232标准的UART接口，若以最高9 600 bps波特率通信，传输1位数据需要104μs。SPI快速的数据传输能力，为用户编制复杂的通信协议提供了支持。
SPI通信虽然传输速率高，但由于其有主机、从机角色固定，连续传输的特点，无法满足大多数用户的通信要求。比如，SPI通信只能由主机单向发动，用户怎么能够实现主从双方的数据双向传输呢?再如，SPI通信工作过程是连续的，通信双方又怎样实现数据的随机收发呢?SPI接口仅提供了一种基本的通信机制，用户无法直接使用。用户要使用SPI接口实现两机数据的随机双向交换，就必须编制通信协议。SPI双机电气连接图如图2所示。

综上所述，SPI基本通信协议构造的目的就是要满足通信双方双向数据传递、数据随机收发的要求。