基于SPI总线的无线呼叫接收器设计.docx

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基于SPI总线的无线呼叫接收器设计

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。

AT89C51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

SPIBUSWIRELESSCALLRECEIVERDESIGN

ABSTRACT

SPI,itisahigh-speed,full-duplex,synchronouscommunicationbus,andthetubefeetinchiponlyoccupyfourthread,savelayoutspace,providingconvenient,itisoutofthiseasy-to-usefeatures,nowmoreandmorechipintegratedthecommunicationprotocol.Inrecentyears,SPIserialinterfacedevicewithitscontrolflexible,simpleinterface,occupancyresourcesadvantagessuchaslessinindustrialcontrol,instruments,etcwidelyapplication.Thesetrendsmoremakesserialcommunicationsfunctionsstrengthened,meanwhilewithserialinterfacedeviceswerealsowidelyused.

ThedesignisbasedonSPIbuswirelesscallwithreceiversstudied,andselectthebusinterfacewithakindofdevicessystemdesign.BasedonAT89C51asthemastercentre,andfromtheclockwithSPIinterfacechip,andprovidetheclockonLCDdisplay.AT89C51singleproductevenwithAtmelcompanylaunched,lowconsumption,voltagecanchoose4-6Vvoltagepowersupply.Therefore,basedonSPIbuswirelesscallsthedesignandstudywithreceiverissignificantandpractical.

KEYWORDSSPI,AT89C51,WirelessCall,Receiver

中文摘要Ⅰ

英文摘要Ⅱ

1绪论

1.1无线呼叫器的应用

无线呼叫器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，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

1.2SPI总线的优点

SPI，是英语SerialPeripheralinterface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。

2SPI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。

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。

2.1SPI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3SPI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4SPI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，CPOL＝0，空闲电平为低电平，CPOL＝1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，

CPHA＝1，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（CPOL＝0，CPHA＝0），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。

对于使用多个从节点的应用，可能有两种结构：

独立和菊花链式从节点，如图8所示。

图8独立和菊花链式两种结构

从节点独立寻址时，主节点必须提供多个从选择信号。

该结构一般用在数据采集系统中，其中的多个模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）都必须单独接入。

菊花链式从节点需要主节点提供唯一的从选择信号，因此该结构要求同时启用所有从节点，以确保菊花链内通过所有移位寄存器的数据流不会中断。

典型的应用为工业级I/O模块中的级联多通道输入串行器和输出驱动器。

2.2SPI串行总线的工作原理

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是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。

上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

上升沿到来的时候，sdo上的电平将被发送到从设备的寄存器中。

下降沿到来的时候，sdi上的电平将被接收到主设备的寄存器中。

假设主机和从机初始化就绪：

并且主机的sbuff=0xaa（10101010），从机的sbuff=0x55（01010101），下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍（假设上升沿发送数据）。

表1如下：

---------------------------------------------------

脉冲          主机sbuff   从机sbuff    sdi   sdo

---------------------------------------------------

0   00-0    10101010    01010101     0     0

---------------------------------------------------

1   0--1    0101010x    10101011     0     1

1   1--0    01010100    10101011     0     1

---------------------------------------------------

2   0--1    1010100x    01010110     1     0

2   1--0    10101001    01010110     1     0

---------------------------------------------------

3   0--1    0101001x    10101101     0     1

3   1--0    01010010    10101101     0     1

---------------------------------------------------

4   0--1    1010010x    01011010     1     0

4   1--0    10100101    01011010     1     0

---------------------------------------------------

5   0--1    0100101x    10110101     0     1

5   1--0    01001010    10110101     0     1

---------------------------------------------------

6   0--1    1001010x    01101010     1     0

6   1--0    10010101    01101010     1     0

---------------------------------------------------

7   0--1    0010101x    11010101     0     1

7   1--0    00101010    11010101     0     1

---------------------------------------------------

8   0--1    0101010x    10101010     1     0

8   1--0    01010101    10101010     1     0

---------------------------------------------------

这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的0--1表示上升沿、1--0表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。

根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的名准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。

3总体设计方案

无线呼叫系统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、行政办公等场所。

其系统又可分为主机部分和从机部分，其结构分别如下。

3.1系统从机结构

无线呼叫系统从机部分由主机部分控制。

该设计是SPI总线通过SPI接口与STR710FZ20相连。

STR710FZ20又与外围的按键电路、射频电路、语音电路和辅助电路相连通过声光报警和LCD显示出来。

如下图9所示。

图9系统从机结构框图

3.2系统主机结构

无线呼叫系统的主机部分控制从机部分。

主机部分的大致结构为SPI总线通过SPI接口与单片机设备相连。

该设备又通过SPI接口与PC机相连，此外，还有按键电路、语音电路、辅助电路组成，通过声光报警和LCD显示出来。

如下图10所示。

图10系统主机结构框图

4硬件电路

4.1元器件的选择

本无限呼叫器用接收器以AtmelAT89C51为内核。

AT89C51是Atmel公司生产的一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理器芯片。

片内带有4KB的闪烁可编程及可擦除的只读存储器，与工业标准的80C51指令集兼容。

片上的PEROM允许在线对程序存储器重新编程，也可用常规的非易挥发储存芯片编程器编程。

本设计最重要的当然是SPI接口芯片的选取，在此选用美国Xicor公司生产的集“看门狗”定时器、电压监控和串行EEPROM三项功能于一体的专用集成芯片X5045。

这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。

其功能框图如11所示。

图11X5045功能框图

芯片特性：

可选时间的看门狗定时器。

VCC的降压检测和复位控制

5种标准的开始复位电压

使用特定的编程顺序即可对低电压检测和复位开始电压进行编程。

复位电压可低至VCC=1V。

省电特性

在看门狗打开时，电流小于50uA

在看门狗关闭时，电流小10uA

在读操作时，电流小2mA

不同的型号的器件，其供电电压可以是1.8-3.6V,2.7V-5.5V,4.5V-5.5V。

4K位EEPROM，1，000，000次的擦写周期。

具有数据的块保护功能——可以保护1/4、1/2、全部的EEPROM，当然也可以置于不保护状态。

内建的防误写措施

——用指令允许写操作。

——写保护引脚。

时钟可达3.3M。

短的编程时间

——16字节的页写模式。

——写时由器件内部自动完成。

——典型的器件写周期为5ms。

该芯片内的串行EEPROM是具有Xicor公司的块锁保护CMOS串行EEPROM，它被组织成8位的结构。

它由一个由4线构成的SPI总线方式进行操作，其擦写周期至少有1000000次，并且写好的数据能够保存100年。

无线接发芯片采用PT2262/2272。

PT2262/2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编码解码电路，是目前在无线通信电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。

PT2262/2272最多可有12位（A0~A11）三态地址端管脚（悬空，接高电平，接低电平），任意组合可提供531441地址码，PT2262最多可有6位（D0~D5）数据端管脚，设置的地址码和数据码从17脚串行输出。

音频功放选用双声道音频功放TDA2822。

4.2电路原理图

无限呼叫器用接收器电路原理图可分为4部分：

X5045接口电路，如图