SPI接口一般采用4條連接線：串行時鐘線(SCK)、主機輸出/從機輸入數據線(MOSI)、主機輸入/從機輸出數據線(MISO)和低電平使能的從機選擇線(SS)，有的還帶有中斷信號線(INT)，半雙工或單向模式則不需要主機輸出/從機輸入數據線(MOSI)。

為了在減少引腳的基礎上完成主從機的雙向通訊,本文采用半雙工機制實現了一種3線制雙向SPI總線模塊，即通過使能信號實現數據傳輸的方向控制，因此將主機輸出/從機輸入(MOSI)線和主機輸入/從機輸出線(MISO)線合并為一條雙向信號線。該模塊是某射頻芯片中的接口模塊，其作用是實現基帶芯片對射頻芯片的控制以及數據交換，而且為了便于和射頻電路集成，該模塊最終以硬IP形式實現。

串行外圍設備接口SPI(serial peripheralinterface)總線技術是Motorola公司推出的一種微處理器、微控制器及其外設間的一種全／半雙工同步串行數據接口標準，具有連接線少、傳輸效率高等特點，因其硬件功能很強，與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。

1? SPI總線協議

射頻芯片的SPI接口具有兩個主要特征：Slave工作模式和半雙工方式通訊。

SPI接口信號描述如表1。



接口時序要求如下：

1)輸出時序

當SEN為高電平時，SPI接口處于輸出狀態。每次數據傳輸開始于SCK信號的上升沿。數據傳輸過程中，數據由SCK信號控制，并遵循下列規則：數據傳輸時，低位在前，高位在后；每個輸出數據位在SCK下降沿采樣；當本幀數據輸出達到24 bit時，結束數據輸出；當本幀數據輸出超過24 bit時，則多余位數全為高電平。

2)輸入時序

當SEN為低電平時，SPI接口處于輸入狀態。每次數據傳輸開始于SEN信號的下降沿，結束于其上升沿。數據傳輸過程中命令和數據有SCK和SEN信號控制，并遵循下列規則：數據傳輸時，低位在前，高位在后；每個輸入數據在SCK下降沿移入MOSI；當本幀數據輸入為24 bit時，當SEN轉為高電平時，將已輸入的24 bit數據寫入RF IC內部寄存器；當本幀數據輸入不足24 bit或多于24 bit時，放棄本幀輸入，等待下一幀。

射頻SPI接口的最大特點就是采用半雙工通訊機制，串行數據的輸入／輸出共用一條數據線，因此SPI接口數據通路的設計和普通的4線制SPI接口完全不同。

2? 實現方案

2.1? 總體結構

SPI接口電路主要由讀／寫控制器、串行寄存器組、輸出寄存器組和內部定時器四部分構成，如圖1所示。



在SPI接口模塊中，數據交換的核心是串行寄存器組，讀、寫控制器根據外部方向選擇信號SEN交替控制串行寄存器組的輸人和輸出。

2.2? 串行寄存器組

串行寄存器的作用是接收射頻芯片內部狀態信息并轉換成24 bit串行數據輸出，以及接收外部串行控制字輸入并轉換成30 bit并行數據輸入射頻芯片，其基本結構如圖2所示。串行寄存器組是半雙工方式SPI接口設計的核心，輸入和輸出數據共享此數據通路，必須保證數據傳輸方向的正確切換。本文采用串行寄存器鏈+輸入選擇器方式實現輸入和輸出數據間的切換。



2.3? 讀控制器

讀控制器的作用是在SEN為高電平的周期內，控制串行寄存器組在第一個SCK上升沿到來時接收指定的24 bit射頻芯片內部信號，并將最低位串行輸出，然后在剩下的23個時鐘周期內將余下的23 bit數據串行輸出，讀控制器結構如圖3所示。



2.4? 寫入寄存器組

寫入寄存器的作用是在SEN信號的上升沿接收串行寄存器組的輸出，并將結果寫入射頻芯片的內部模塊。其中射頻芯片比較特殊的要求是根據寫入控制字第7位選擇將串行輸入數據的第0～6 bit數據寫入兩個不同的控制寄存器中的一個，這樣，寫入寄存器組的輸出位數就變成了30 bit，輸入為23 bit。輸出寄存器的結構如圖4所示。



2.5? 寫控制器

寫控制器的作用是在SEN信號的低電平周期內，判斷寫入數據是否恰好滿足24 bit以使能輸出寄存器組，另外根據寫入數據的第8位控制低7位數據的寫入方向(寄存器A或寄存器B)。寫控制器的結構如圖5所示。



3? 實現結果

圖6是采用Verilos實現的SPI接口的部分功能仿真波形，測試激勵首先將SPI接口置于發送模式下(SEN為高電平)，SPI接口將從內部獲得的信息碼“24’hFFFFFE”正確地串行發出；測試激勵再將SPI接口置于接收模式下(SEN為低電平)，SPI接口正確接收外部發送的“24’hFFFFF8”，并轉換成內部的“30’h3FFC078”。為了保證收發方向切換在一個時鐘周期內完成，SEN信號的轉換在接口時鐘的下降沿完成。通過NC-Verilog仿真，SPI接口功能正確，工作時序符合設計要求。


4? 結論

本SPI接口模塊已成功應用在一個射頻芯片中，以硬IP的形式集成進射頻模塊中。SPI接口電路在0.18 μm工藝下實現后的版圖總尺寸約為240 μm×460 μm，最高工作頻率原高于10 MHz的設計上限，相應在10 MHz下的功耗約為2 mW。