基于SPI总线技术的同步422接口设计

同步传输(Synchronous Transmission)是一种发送方与接收方都采用相同时钟频率的传输方式。具体来说，就是把要传输的一组数据组合成一帧，每一帧的开头部分是一组同步字符，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度一致，使收发双方进入同步。帧的结尾部分是一个帧结束标记，用于表示在下一帧开始之前没有其他即将到达的数据了。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作，一旦检测到帧同步字符，就在接下来的数据到达时接收它们。因此，与异步传输相比，具有很高的传输速度。而且，由于没有在传输的每个字符中都加入起始位和结束位，所以同步传输的开销比异步传输要小得多，通常前者的数据增值只有2.5%左右，而后者的高达25%。所以，在高速通信中一般都采用同步传输方式。

由于图像的数据量一般很大，所以图像数据的传输都是高速传输。在某实时图像存储系统设计中，为了保证能够实时存储图像，需要在以S3C2450X为MCU的嵌入式系统中采用同步422接口向外传输图像数据。由于S3C2450X的UART接口不支持同步串行通信模式，所以采用了将SPI外围总线转换为同步422接口的设计方法。

1 SPI基本原理与结构

串行外围设备接口(SPI)是由Motorola公司开发的、用来在微控制器和外围设备芯片之间实现数据交换的低成本、易使用接口。与标准的串行接口不同，SPI是一个同步协议接口，全双工通信，所有的传输都参照一个共同的时钟，这个同步时钟信号由主机产生。接收数据的外设使用时钟对串行比特流的接收进行同步化。其传输速度可达几Mb/s。

SPI主要使用4个信号：MISO(主机输入/从机输出)、MOSI(主机输出/从机输入)、 SCLK(串行时钟)、或(外设片选或从机选择)。

MISO信号由从机在主机的控制下产生。信号用于禁止或使能外设的收发功能。为高电平时，禁止外设接收和发送数据；为低电平时，允许外设接收和发送数据。图1所示是微处理器通过SPI与外设连接的示意图。

主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机(如图2所示)。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。

如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

当主机发送一个连续的数据流时，有些外设能够进行多字节传输。多数具有SPI接口的存储芯片就以这种方式工作。在这种传输方式下，从机的片选端必须在整个传输过程中保持低电平。此时，一次传输可能会涉及到成千上万字节的信息，而不必在每个字节的数据发送的前后都去检测其起始位和结束位，这正是同步传输方式优于异步传输方式的原因所在。

虽然SPI有以上优点，然而在图像传输中却很少用到，原因主要是其抗干扰能力差。SPI采用的是单端非平衡的传输方式，即传输的数据位的电压电平是以公共地作为参考的。在这种传输方式中，对于已进入信号中的干扰是无法消除和减弱的。而信号在传输过程中总会受到干扰，而且距离越长干扰越严重，以致于信号传输产生错误。在这种条件下，信号传输就变得毫无意义了。另外，由于单端非平衡传输方式以公共地作为参考点，地线作为信号回流线，因此也存在信号电流。当传输线两端的系统之间存在交流电位差时，这个电位差将直接窜到信号中，形成噪声干扰。所以，为了解决抗干扰问题，通常采用平衡传输 (balanced transmission)方式，这里采用比较常见的RS-422。

2 RS-422简介

RS-422标准是RS-232的改进型，全称是"平衡电压数字接口电路的电气特性"。它使用两根线之间的电压差来代表逻辑电平，通常称之为双绞线。它是一种平衡传输，任何噪声或干扰都会同时影响两根双绞线中的每一根，但对二者之间的差异影响很小，这种现象称为共模抑制。所以RS-422可以在更远的距离上以更快的速度传输数据，其抗干扰能力远强于RS-232、SPI等非平衡传输方式。其最大传输距离约1 200 m，最大传输速度可达10 Mb/s。但是由于线路过长造成损耗，其传输速率会随着距离的增加而下降。

图3是RS-422的基本连接示意图。驱动器D通过双绞线和接收器R连接。位于双绞线接收端的电阻Rt是一个终止电阻，它用来消除在远距离传输过程中发生的信号反射。但在300 m以下的短距离传输中可以不接该电阻。

RS-422标准允许相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个，即一个主设备、10个从设备，从