基于SPI总线的无线呼叫接收器设计word格式源文件.doc
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1、基于SPI总线的无线呼叫接收器设计摘 要SPI,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约布局空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。近年来,SPI串行接口设备凭借其控制灵活,接口简单、占用资源少等优点在工业控制、仪器仪表等领域被广泛应用。这些发展趋势更加使得串行通信功能加强了,同时带有串行接口的器件也被广泛使用。本次设计是对基于SPI总线的无线呼叫用接收器进行研究,并选取带有一种总线接口的器件进行系统设计。本文以AT89C51单片机作为主控中心,由带有SPI接口的时钟芯片提供时钟,并用LCD液晶显示器进行显示。AT89
2、C51单片机是有Atmel公司推出的,功耗小,电压可选用4-6V电压供电。因此,基于SPI总线的无线呼叫接收器的设计和研究意义重大而实用。关键词 SPI/AT89C51/无线呼叫/接收器SPI BUS WIRELESS CALL RECEIVER DESIGNABSTRACTSPI, it is a high-speed, full-duplex, synchronous communication bus, and the tube feet in chip only occupy four thread, save layout space, providing convenient, i
3、t is out of this easy-to-use features, now more and more chip integrated the communication protocol. In recent years, SPI serial interface device with its control flexible, simple interface, occupancy resources advantages such as less in industrial control, instruments, etc widely application. These
4、 trends more makes serial communications functions strengthened, meanwhile with serial interface devices were also widely used.The design is based on SPI bus wireless call with receivers studied, and select the bus interface with a kind of devices system design. Based on AT89C51 as the master centre
5、, and from the clock with SPI interface chip, and provide the clock on LCD display. AT89C51 single product even with Atmel company launched, low consumption, voltage can choose 4-6V voltage power supply. Therefore, based on SPI bus wireless calls the design and study with receiver is significant and
6、 practical. KEYWORDS SPI, AT89C51, Wireless Call, Receiver目录中文摘要英文摘要1 绪论11.1 无线呼叫器的应用11.2 SPI总线的优点21.3 无线呼叫器的优势22 SPI串行总线的结构和工作原理42.1 SPI串行总线的结构62.2 SPI串行总线的工作原理113 总体设计方案143.1 系统从机结构143.2 系统主机结构154 硬件电路164.1元器件的选择164.2电路原理图185 软件流程235.1 发射部分设计235.2 接收部分设计266 结论31致 谢32参考文献33附录341 绪论1.1 无线呼叫器的应用无线呼叫器
7、是在有线呼叫器的基础上发展起来的,我们所常见的有线呼叫器,如:医院的病床呼叫器、电梯里的求助按钮和公共场所的紧急报警按钮等,因其操作简单而有效。但是有线呼叫器需要布线,费用高,施工繁琐而无法得到广泛应用。有需求,就会有产品,无线呼叫器应运而生。 无线呼叫器是一种新型的无线电子产品,广泛用于:餐饮、娱乐、休闲、工厂、超市、办公和家庭等场所。无线呼叫器按照无线调试方式的不同可分为调频FM无线呼叫器和调幅AM无线呼叫器两大类。下面以调频无线呼叫器为例,产品主要包括:外壳、电源、按键、稳压电路、单片机编码控制、晶体放大器、倍频放大器和天线等部分。无线呼叫器从技术和应用可大致分为三个阶段:第一阶段以调幅
8、AM技术为主(即:第一代无线呼叫器),主要用于场地较小的场所;第二阶段是以调频FM为核心技术的产品(即:第二代无线呼叫器系统),信号稳定,适合大型组网,应用行业从茶楼、咖啡厅等小型服务场所,发展到大型娱乐场所、酒店、工厂、超市、学校和银行等行业,这个阶段是无线呼叫器应用发展最为迅速的一个时期;第三阶段是调频技术、语音技术和对讲技术为核心的语音无线呼叫系统,实现了无线呼叫器从模拟、数字到语音的蜕变,成为无线呼叫器系统应用的趋势和主流。无线呼叫的典型应用有医院无线呼叫系统,如图1所示。本设计设置AT89S51为主控器,ISD4002为从器件,通过SPI口完成通信控制的过程。而完成SPI总线接口设计
9、,首先需要了解SPI总线的组成结构和工作原理。图1 医院呼叫系统总体框架图1.2 SPI总线的优点SPI,是英语Serial Peripheral interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口。SPI,高速同步串行口是一种标准的四线同步双向串行总线,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在
10、越来越多的芯片集成了这种通信协议,比如AT91RM9200. 1.3 无线呼叫器的优势无线呼叫器的安装简便,操作简单,针对性解决服务呼叫,紧急呼叫等问题,越来越受服务场所的青睐。 1、无线呼叫器有利于提升服务形象 2、无线呼叫器有利于提高服务工作效率; 3、无线呼叫器解决紧急呼叫问题; 4、无线呼叫器可使服务管理标准化; 无线呼叫器,从技术上又分调频无线呼叫器和调幅无线呼叫器。调频无线呼叫器在性能上明显比调幅无线呼叫器好。大家选择的时候可以优先选择调频无线呼叫器,质量上有保障。2 SPI串行总线的结构和工作原理SPI:高速同步串行口是一种标准的四线同步双向串行总线,顾名思义就是串行外围设备接口
11、。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。SPI总线系统是一种同步串行外设接口,它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围
12、器件直接接口,该接口一般使用4条线:串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。 SPI的通信原理很简单,它以主从方式工作,这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,事实上3根也可以(用于单向传输时,也就是半双工方式)。也是所有基于SPI的设备共有的,它们是SDI(数据输入),SDO(数据输出),SCK(时钟),CS(片选)。 (1)SDO 主设备数据输出,从设备数据输入 (2)SDI 主设备数据输入,从设
13、备数据输出 (3)SCLK 时钟信号,由主设备产生 (4)CS 从设备使能信号,由主设备控制 其中CS是控制芯片是否被选中的,也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位),对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。如图所示是由一个主机对接一个从机进行全双工通信的系统构成的方式。在该系统中,由于主机和从机的角色是固定不变的,并且只有一个从机,因此,可以将主机的丽端接高电平,将从机的SS端固定接地。图2 主机控制从机接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的,这里先要知道SPI是串行通讯协议,也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存
14、在的原因,由SCK提供时钟脉冲,SDI,SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线,数据在时钟上升沿或下降沿时改变,在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输,输入也使用同样原理。这样,在至少8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次),就可以完成8位数据的传输。 要注意的是,SCK信号线只由主设备控制,从设备不能控制信号线。同样,在一个基于SPI的设备中,至少有一个主控设备。这样传输的特点:这样的传输方式有一个优点,与普通的串行通讯不同,普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据,而SPI允许数据一位一位的传送,甚至允许暂停,因为SCK时钟线由主控设备控制,当没有时钟跳变时,从设备不
15、采集或传送数据。也就是说,主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议:因为SPI的数据输入和输出线独立,所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同,主要是数据改变和采集的时间不同,在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义,具体请参考相关器件的文档。 在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。在多个从设备的系统中,每个从设备需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。2.1 SPI串行总线的结构无线呼叫系统是一种用于呼叫的电子产品,是一个包含软件和硬件的系统,被广泛的应用于餐饮、休闲、医护、行政
16、办公等场所。 从硬件的组件来看,有调频呼叫器或调幅呼叫器、控制中心、数字信息机、监控系统接收机、监控系统软件、信号增强器、取号器、外接发射机等。 从功能和应用上分为医院呼叫系统,酒店无线呼叫系统,餐饮无线呼叫系统,工厂专用无线呼叫系统等等。 从技术角度分有两大类:调幅(AM)产品和调频(FM)产品,我们生活中的无线门铃、玩具和汽车遥控器等属于调幅产品,手机、对讲机、寻呼机等属于调频产品。目前,无线呼叫系统调频技术的代表产品是多嘴猫,调幅技术的代表产品是讯铃、红铃等。利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统。如一个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统(分布式系统)、一个主
17、MCU和一个或几个从I/O设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合,可使用一个MCU作为主控机来控制数据,并向一个或几个从外围器件传送数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。其数据的传输格式是高位(MSB)在前,地位(LSB)在后。SPI总线接口系统的典型结构如图3所示。 图3 SPI总线的典型结构当一个主控制机通过SPI与几种不同的串行I/O芯片相连时,必须使用每片的允许控制端,这可通过MCU的I/O口输出线来实现。但应特别注意这些串行I/O芯片的输入输出特性:首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯片时,输出端应处于高阻态。若没有三态控制端,而应外加三态门。否则
18、MCU的MISO端只能连接一个输入芯片。其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。因此只有在芯片允许时,SCK脉冲才把串行数据移入该芯片;在禁止时,SCK对芯片无影响。若没有允许控制端,则应该在外围用门电路对SCK进行控制,然后再加到芯片的时钟输入端;当然,也可以只在SPI总线上连接一个芯片,而不再连接其他输入或输出芯片。SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口,同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK,一条数据输入线MOSI,一条数据输出线MISO;用于 CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频
19、率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3),其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。SPI模块为了和外设进行数据交换,根据外设工作要求,其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置,时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0,串行同步时钟的空闲状态为低电平;如果CPOL=1,串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0,在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样;如果CPHA=1,在串行同步时钟的第二个跳
20、变沿(上升或下降)数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI总线实施简单,仅使用四条数据信号线和控制信号线,如图4所示。图4 SPI端口数据传输通常会包含一次数据交换。当主节点向从节点发送数据时,从节点也会向主节点发送数据。为此,主节点的内部移位寄存器和从节点被设置成环形,如图5所示。图5 数据传输SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3),其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。SPI时序图详解-SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻SPI接口有四种不同的数据传输时序,取决于CPOL和CPHL
21、这两位的组合。图1中表现了这四种时序,时序与CPOL、CPHL的关系也可以从图6中看出。图6 时序图CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平,CPOL0,空闲电平为低电平,CPOL1时,空闲电平为高电平。CPHA是用来决定采样时刻的,CPHA=0,在每个周期的第一个时钟沿采样,CPHA1,在每个周期的第二个时钟沿采样。由于我使用的器件工作在模式0这种时序(CPOL0,CPHA0),所以将图2.21简化为图7,只关注模式0的时序。图7 时序简化图在 SPI 中,主节点可以与单个或多个从节点进行通信。在使用单个从节点的情况下,从选择信号可以关联到从设备的本地接地电位以允许永久接入。对于使用多个
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