如何在MAXQ3180微控制器上使用串行外设接口

MAXQ3180微控制器为电表的多相模拟前端。它集成了现代多功能电能计量所需的所有功能。MAXQ3180通过串行外设接口（SPI™）总线将其读数传送给主机微控制器。本应用笔记描述了该接口是如何完成的，并提供了示例代码，以帮助设计人员实现通信机制。

SPI概述

串行外设接口 （SPI） 是一种设备间总线协议，可在芯片之间提供快速、同步、全双工通信。一个器件（主设备）驱动同步时钟，并选择多个从站中的哪一个被寻址。每个SPI外设由一个移位寄存器和控制电路组成，因此寻址串行外设接口SPI外设同时发送和接收。

图1.SPI 从站的插图。

SPI通信中使用了四种分立电路：

SCLK：所有设备使用的同步时钟。主站驱动此时钟，从设备接收时钟。请注意，SCLK 可以门控，不需要在 SPI 事务之间驱动。

莫西：主人出来，奴隶进来。这是由主站驱动到SPI总线上所有从机的主数据线。只有选定的从站时钟从MOSI数据。

MISO：主人进，奴出。这是由选定的从站驱动到主站的主数据线。只有选定的从机可以驱动该电路。事实上，它是SPI总线布置中唯一允许从站驱动的电路。

SSEL：此信号对于每个从站都是唯一的。当活动（通常为低电平）时，所选从机必须驱动MISO。

对于此讨论，必须注意SPI外设同时发送和接收。想到这一点的一个方便方法是，主站总是发送一个字节并接收一个字节。

一些SPI外设牺牲了速度，转而模拟半双工操作。 MAXQ3180微控制器不是这种情况，它是一款真正的全双工SPI从机。

本应用笔记的其余部分介绍如何在SPI总线上连接并成功使用MAXQ3180。

MAXQ3180通信概述

对于主机（即主机）来说，MAXQ3180看起来像一个由RAM和ROM组成的存储器阵列。这是因为MAXQ3180中的ROM固件从RAM读取其工作参数，并将结果放在RAM中。因此，配置MAXQ3180就像对其RAM位置进行块写入一样简单。

一些MAXQ3180“存储器”位置触发器件内的动作，以“动态”计算电能计量结果。写入这些位置是“nop”。RAM 和虚拟 ROM 位置的具体功能和用途超出了本文档的范围。这里重要的事实是，微控制器实际上只有两种SPI通信操作：读取和写入。

MAXQ3180中的每个事务都从主站发送两个字节开始，其中包含命令（即读或写）、访问地址和访问字节数。如上所述，每个SPI外设每接收一个字节返回一个字节。因此，MAXQ3180在接收到第一个命令字节后返回0xC1，在第二个命令字节后返回0xC2。该协议如图 2 所示。

图2.主机向MAXQ3180读写数据。

如果主服务器正在读取一个或多个字节，则必须发送虚拟字节。请记住，除非从站发送一些东西，否则主站无法从从站接收任何东西：发送一个字节来获取一个字节。但是在收到命令后，MAXQ3180可能必须计算结果，因此当主机发送虚拟字节时可能还没有准备好结果。因此，MAXQ3180在发送数据之前，总是发送零个或多个NAK字符（0x4E或ASCII'N'），后跟ACK字符（0x41或ASCII'A'）。

如果主站正在写入一个或多个字节，它会在发送命令后立即发送要写入的数据。MAXQ3180为每个数据字节返回ACK （0x41）。然后，它返回 NAK （0x4E），直到写入周期完成，之后返回最终的 ACK。

注意，在最终ACK之后，MAXQ3180立即准备好开始下一笔交易;它不需要等待任何其他事件。甚至不需要切换 SSEL 即可开始下一个事务。MAXQ3180知道第一笔交易已经结束，并准备好进行下一笔交易。

无论出于何种原因，如果需要复位主机与MAXQ3180之间的通信（例如，如果通信变得不同步），主机只需等待200ms即可从第一个命令字节重新启动通信。200ms延迟通知MAXQ3180主机放弃前一个事务。

命令字节

命令字节告诉MAXQ3180：

请求的事务是读取还是写入

交易的长度

RAM 中要修改的地址（或要读取的虚拟 ROM 地址）

图3.命令字节的结构。

第一个命令字节（图3）告诉MAXQ3180所请求的事务是读还是写，以及事务的长度。命令字节使用以下计划：

长度代码	数据长度
0b00	1 字节
0b01	2 字节
0b10	4 字节
0b11	8 字节

命令字节 1 的其余部分和所有命令字节 2 提供要访问的 RAM 中字节的地址（或虚拟 ROM 函数的身份）。

主机软件设计

虽然MAXQ3180包含硬件SPI控制器，但单个消息字节仍由ROM固件中的软件例程处理。因此，连续字节之间需要延迟。在当前版本的MAXQ3180中，该延迟必须不小于100μs才能可靠工作。参见图 4 和图 5。

图4.MAXQ3180读数流程图

图5.编写MAXQ3180的流程图

代码清单

提供代码，用于将内置SPI主机的MAXQ2000微控制器连接至MAXQ3180。其他微控制器的用户将需要提供自己的SPI基元，并可能修改高级子程序。

在下面的列表中，子例程导致程序线程在给定的微秒数内停止执行。常量被定义为提供比字符超时更长的内容。dly_usSPI_TIMEOUT

在高级子例程中，ENUM 用于按名称选择寄存器。它索引数组，其中包括每个MAXQ3180寄存器的寄存器长度。请参见图 6、7 和 8。register_lookup_table

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; }

图6.基元的代码。Send_SPI

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

图7.（） 子例程的代码。ReadAFESPI_Read

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

图8.（） 子例程的代码。Write_AFESPI_Write

审核编辑：郭婷