虚拟SPI在XF-S4240与MCS51通信中的应用

SPI 总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。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，并且硬件连接较少，编程方便。 SPI接口已经是一种标准外设接口，目前已有很多MCU及外设都带有SPI接口。MCS51虽然也有带SPI接口的单片机——AT89S8252，但价格相对较高。在开发基于RFID的自助语音导游系统中，由于RFID读卡模块带有SCI接口，XF-S4240语音合成模块带有SCI及SPI接口，如采用不带有SPI接口的AT89C51单片机，必然存在扩展接口的问题。本文介绍的C51软件模拟实现SPI通信接口的方法，编程简单，有效降低了系统的成本。该方法已在项目开发中得到了验证。

1 语音模块XF-S4240

XF-S4240中文语音合成模块是中科大讯飞信息科技有限公司面向高端应用推出的嵌入式中文语音合成模块，可支持任意的中文文本、英文字母的语音合成。该模块可以通过异步串口(UART)、SPI接口及I2C总线3种方式接收待合成的文本，直接合成为语音输出。

XF-S4240语音模块封装成16引脚形式，其13～16脚就是SPI通信接口。

其命令格式由帧头、数据长度区及数据区3部分组成。如要合成“欢迎您参观莫高窟。”，只需对模块发送格式为GB2312的文本代码：



其中0xFD为帧头，0x00为数据区长度的高字节，0x14为数据区长度的低字节(注意：长度字节为合成代码字节长+2)，0x01为语音合成命令，0x00为GB2312的命令码。0xBB、0xB6为“欢”的GB2312码，0xD3、0xAD为“迎”的G132312码……0xA1、 0xA3为“。”的GB2312码。

2 XF-S4240的SPl通信方式

2.1 XF-S4240的SPI通信说明

XF-S4240模块的SPI接口是4线全双工同步串行通信接口。模块在SPI通信中设置为Slave身份，SPI通信所需的时钟信号由上位机提供，即上位机作为SPI通信中的Master身份，传输数据的位数为8位。

图 1是SPI通信的时序。SPI通信属于同步串行通信。在与模块的通信中，上位机将提供SCK同步时钟信号。在SCK的上升沿，模块和上位机同时锁存1位数据，每传输8位数据完成1字节数据的传输。使用SSEL选择使能信号，是为了方便用户在SPI通信接口上挂接多个XF-S4240板卡(或其他SPI接口的设备)。在与选定的XF-S4240板卡通信时，要将此设备的SSEL置为低电平，否则无法正常通信。



在本项目中，单片机是主设备，语音模块是从设备。主模式的显著特征是：不论是发送还是接收，始终有SPI-CLK信号，SPISTE信号不是必需的。因为SPI串口只能有1片主机，因而不存在主机选择问题，而且主模式下，同步时钟SPICLK应由主机提供。

2.2 SPI通信的工作原理

要模拟SPI接口的工作过程，必须先了解SPI通信的工作原理。

在主机发送数据时，直接将要发送的数据写到主机的数据发送寄存器SPIDAT。这个写操作就自动地启动了主机的发送过程，即在同步时钟SPICLK的节拍下将SPIDAT的内容按位送到引脚SPISIMO上。经过8位时钟周期完成1字节的发送。当SPIDAT的内容移送完毕时，硬件将置一个中断标志 SPIINT FLAG，通知主机这个数据块发送完毕。

对于从机，在同步时钟SPICLK的作用下，将引脚SPISI-MO上的数据按位接收到移位寄存器SPIDAT。当一个完整的数据块接收完毕后，将置一个中断标志SPIINT FLAG，通知从机这个数据块接收完毕；同时将这个数据块的内容复制到从机的SPI数据接收寄存器SPIRXBUF中，并进行右对齐。SPI通信中主机和从机的连接如图2所示。



3 软件模拟SPI接口的实现

3.1 XF-S4240语音模块与单片机的连接

本设计中，AT89C51的SCI接口已被RFID读卡模块WM-01TA占用，由于AT89C51不带有SPI接口，需要用I／O口模拟实现SPI接口来实现与XF-S4240的通信。为了保持电路与AT89S8252电路的一致性，在AT89C51的P1口(其中的P1.4～P1.7)上扩展了SPI接口。

SS(P1.4)：从使能输入脚，低电平有效。
MOSI(P1.5)：主数据输出或从数据输入脚。
MISO(P1.6)：主数据输入或从数据输出脚。
SCK(P1.7)：主时钟输出或从时钟输入脚。
CS(P1.1)：片选。
RST(P1.0)：语音模块复位。

XF-S4240与单片机的连接如图3所示。



3.2 虚拟SPI通信的软件模拟流程及验证

虚拟与SPI流程如图4所示。



虚拟SPI通信程序及验证如下：



利用此SPI通信子程序，实现了需要的语音合成功能。



结语

SPI接口现已广泛应用于各种数字电路中，能够与很多种微处理器及外设相连。在没有设置SPI专用接口的场合，采用虚拟SPI的方法是一种简便易行的解决方案。实践证明，虚拟SPI时序技术实现的通信具有简单、稳定、易用的特点，对于提高系统的性价比有现实意义。