摘要：MAXQ3180微控制器是電表多相模擬前端。它具備現(xiàn)代多功能電表的所有功能。MAXQ3180通過串行外設(shè)互聯(lián)(SPI?)總線將其讀數(shù)傳送給主機(jī)微控制器。本應(yīng)用筆記介紹怎樣實(shí)現(xiàn)這一接口，演示實(shí)例代碼以幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)這一通信機(jī)制。

SPI簡(jiǎn)介

串行外設(shè)接口(SPI)是器件間總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)芯片間的快速、同步、全雙工通信。由一個(gè)主機(jī)驅(qū)動(dòng)同步時(shí)鐘，選擇對(duì)哪些從機(jī)尋址。每個(gè)SPI外設(shè)含有一個(gè)移位寄存器和控制電路，使被尋址的串行外設(shè)互聯(lián)SPI外設(shè)能夠同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。


圖1. SPI從機(jī)示意圖

SPI通信采用了四種不同的電路：

• SCLK：所有器件使用的同步時(shí)鐘。主機(jī)驅(qū)動(dòng)該時(shí)鐘，從機(jī)接收時(shí)鐘。注意，SCLK可以被選通，不需要在SPI操作之間進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
• MOSI：主機(jī)出，從機(jī)入。這是主機(jī)在SPI總線上驅(qū)動(dòng)所有從機(jī)的主要數(shù)據(jù)線。只有所選的從機(jī)同步來自MOSI的數(shù)據(jù)。
• MISO：主機(jī)入，從機(jī)出。這是所選從機(jī)向主機(jī)發(fā)送時(shí)驅(qū)動(dòng)的主要數(shù)據(jù)線。只有所選的從機(jī)可以驅(qū)動(dòng)該電路。實(shí)際上，這是SPI總線安排中允許從機(jī)驅(qū)動(dòng)的唯一電路。
• SSEL：該信號(hào)在每一從機(jī)上都不同。當(dāng)有效(通常為低電平)時(shí)，所選從機(jī)必須驅(qū)動(dòng)MISO。

對(duì)于這一討論，需要特別說明的是，SPI外設(shè)同時(shí)發(fā)送和接收。最簡(jiǎn)單的理解是主機(jī)總是發(fā)送一個(gè)字節(jié)，接收一個(gè)字節(jié)。

有些SPI外設(shè)犧牲速率以模擬半雙工工作。MAXQ3180微控制器沒有采用這一方式，它是真正的全雙工SPI從機(jī)。

本應(yīng)用筆記的其他部分介紹怎樣連接并成功使用SPI總線上的MAXQ3180。

MAXQ3180通信簡(jiǎn)介

對(duì)于主機(jī)，MAXQ3180看起來象一個(gè)存儲(chǔ)器陣列，同時(shí)含有RAM和ROM。這是因?yàn)镸AXQ3180中的ROM固件讀取RAM的工作參數(shù)，將結(jié)果放到RAM中。因此，配置MAXQ3180和對(duì)RAM進(jìn)行塊寫入一樣簡(jiǎn)單。

有些MAXQ3180 “存儲(chǔ)”位置觸發(fā)器件內(nèi)部操作，“隨時(shí)”計(jì)算電表測(cè)量結(jié)果。向這些位置寫入的是“nop”。對(duì)RAM和虛擬ROM位置特殊功能和目的的討論已經(jīng)超出了本文檔的范圍。此處最重要的是微控制器的確只有兩種SPI通信操作：讀和寫。

MAXQ3180中的每一次操作以主機(jī)發(fā)送兩個(gè)字節(jié)開始，它含有命令(例如，讀或者寫)、要訪問的地址、訪問的字節(jié)數(shù)。如前所述，每個(gè)SPI外設(shè)對(duì)接收到的每個(gè)字節(jié)返回一個(gè)字節(jié)。因此，MAXQ3180在接收到第一個(gè)命令字節(jié)后返回0xC1，第二個(gè)命令字節(jié)后返回0xC2。該協(xié)議顯示在下面的圖2中。


圖2. 主機(jī)向MAXQ3180讀寫數(shù)據(jù)

如果主機(jī)讀取一個(gè)或者多個(gè)字節(jié)，它必須發(fā)送空字節(jié)。記住，主機(jī)不能接收來自從機(jī)的任何信息，除非它發(fā)送某些信息：發(fā)送一個(gè)字節(jié)以得到一個(gè)字節(jié)。但是接收一條命令后，MAXQ3180要計(jì)算結(jié)果，當(dāng)主機(jī)發(fā)送空字節(jié)時(shí)，它可能還沒有準(zhǔn)備好。出于這一原因，MAXQ3180 總是在發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送零或者NAK字符等多個(gè)字節(jié)(0x4E或者ASCII 'N')，隨后是一個(gè)ACK字符(0x41，或者ASCII 'A')。

如果主機(jī)寫入一個(gè)或者多個(gè)字節(jié)，發(fā)送命令后，它立即發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)。MAXQ3180為每一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)返回ACK (0x41)。然后，它返回NAK (0x4E)，直到寫周期完成，隨后返回最終ACK。

注意，最終ACK之后，MAXQ3180立即準(zhǔn)備開始下一操作；它不需要進(jìn)行任何其他等待。它甚至不需要觸發(fā)SSEL以開始下一操作。MAXQ3180知道第一次操作已經(jīng)完成，準(zhǔn)備進(jìn)行下一操作。

不論什么原因，如果需要復(fù)位主機(jī)和MAXQ3180之間的通信(例如，如果通信是異步的)，從第一個(gè)命令字節(jié)重新啟動(dòng)通信之前，主機(jī)只需要等待200ms。200ms延時(shí)指示MAXQ3180，主機(jī)放棄了前面的操作。

命令字節(jié)

命令字節(jié)告訴MAXQ3180：

1. 申請(qǐng)的操作是READ還是WRITE
2. 操作的長(zhǎng)度
3. RAM中要改動(dòng)的地址(或者要讀取的虛擬ROM地址)

圖3. 命令字節(jié)結(jié)構(gòu)

第一個(gè)命令字節(jié)(圖3)告訴MAXQ3180，所申請(qǐng)的操作是READ還是WRITE，以及操作的長(zhǎng)度。命令字節(jié)結(jié)構(gòu)如下：

Length Code	Data Length
0b00	1 byte
0b01	2 bytes
0b10	4 bytes
0b11	8 bytes

命令字節(jié)1的其他部分和所有的命令字節(jié)2提供要訪問的RAM字節(jié)的地址(或者一樣的虛擬ROM功能)。

主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

雖然MAXQ3180含有一個(gè)硬件SPI控制器，ROM固件中的軟件程序還是要處理每一消息字節(jié)。出于這一原因，連續(xù)字節(jié)之間需要有延時(shí)。在當(dāng)前的MAXQ3180型號(hào)中，這一延時(shí)不得小于100μs才能實(shí)現(xiàn)可靠的工作。請(qǐng)參考圖4和圖5。


圖4. 讀取MAXQ3180的流程圖


圖5. 寫入MAXQ3180的流程圖

代碼清單

提供代碼以實(shí)現(xiàn)具有內(nèi)置SPI主機(jī)的MAXQ2000微控制器和MAXQ3180的接口。其他微控制器用戶需要提供自己的SPI原語(yǔ)，還可能要修改高層子程序。

在下面的清單中，dly_us子程序使程序線程停止執(zhí)行幾個(gè)微秒。定義SPI_TIMEOUT常數(shù)以提供比字符超時(shí)時(shí)間更長(zhǎng)的參數(shù)。

在高層子程序中，采用ENUM按名稱來選擇寄存器。在其他參數(shù)中，它提供register_lookup_table陣列的索引，含有每個(gè)MAXQ3180寄存器的寄存器長(zhǎng)度。請(qǐng)參考圖6、圖7和圖8。

unsigned char Send_SPI(unsigned char x) { unsigned char y = 0; int z; int error = 0; SPICN = 3; /* MSTSM, SPIEN */ z = 0; while ((SPICN_bit.STBY) && (++z < SPI_TIMEOUT)); if (z == SPI_TIMEOUT) error = 1; SPICN_bit.SPIC = 0; /* Clear transfer complete flag */ SPIB = x; z = 0; while ((!SPICN_bit.SPIC) && (++z < SPI_TIMEOUT)); if (z == SPI_TIMEOUT) error = 1; y = SPIB; SPICN_bit.SPIC = 0; dly_us(100); if (error) return 0; return y; }

圖6. Send_SPI原代碼

long Read_AFE(enum METER_REGISTER_RECORD reg, uint16 reg_addr) { extern unsigned char record[8]; unsigned long x = 0; unsigned char i, regadd, command_code = 0; for(i=0; i<8; i++) record[i] = 0; switch(register_lookup_table[reg].register_length) { case 2: command_code |= 0x10; break; case 4: command_code |= 0x20; break; case 8: command_code |= 0x30; break; } command_code |= reg_addr >> 8; regadd = reg_addr & 0xff; /* Disable SPI to reset it */ SPICN_bit.SPIEN = 0; for(x=0; x<300; x++); SPICN_bit.SPIEN = 1; SPI_SELECT_0; i = 0; while((Send_SPI(command_code)!= 0xC1)&&(++i < SPI_COMMAND_RETRIES)) spi_comm_timeout(); x = 0xffffffff; if (i == SPI_COMMAND_RETRIES) goto spierror; Send_SPI(regadd); i = 0; while((Send_SPI(0) != 'A') && (++i < SPI_RETRIES)); if (i == SPI_RETRIES) goto spierror; x = 0; for(i=0; i

圖7. ReadAFE (SPI_Read)子程序代碼

void Write_AFE(enum METER_REGISTER_RECORD reg, uint16 reg_addr, uint32 data) { uint8 i, regadd, command_code = 0x80; int x; switch(register_lookup_table[reg].register_length) { case 2: command_code |= 0x10; break; case 4: command_code |= 0x20; break; case 8: command_code |= 0x30; break; } command_code |= reg_addr >> 8; regadd = reg_addr & 0xff; /* Disable SPI hardware to reset it */ SPICN_bit.SPIEN = 0; for(x=0; x<300; x++); SPICN_bit.SPIEN = 1; SPI_SELECT_0; i = 0; while((Send_SPI(command_code)!=0xC1)&&(++i < SPI_COMMAND_RETRIES)) spi_comm_timeout(); if (i == SPI_COMMAND_RETRIES) goto spierror; Send_SPI(regadd); for(i=0; i> (i * 8)) & 0xff); i = 0; while((Send_SPI(0) != 'A') && (++i < SPI_RETRIES)); spierror: SPI_DESELECT_0; }

圖8. Write_AFE (SPI_Write)子程序代碼