一种3线制半双工SPI接口设计

2.2 串行寄存器组

串行寄存器的作用是接收射频芯片内部状态信息并转换成24 bit串行数据输出，以及接收外部串行控制字输入并转换成30 bit并行数据输入射频芯片，其基本结构如图2所示。串行寄存器组是半双工方式SPI接口设计的核心，输入和输出数据共享此数据通路，必须保证数据传输方向的正确切换。本文采用串行寄存器链+输入选择器方式实现输入和输出数据间的切换。



2.3 读控制器

读控制器的作用是在SEN为高电平的周期内，控制串行寄存器组在第一个SCK上升沿到来时接收指定的24 bit射频芯片内部信号，并将最低位串行输出，然后在剩下的23个时钟周期内将余下的23 bit数据串行输出，读控制器结构如图3所示。



2.4 写入寄存器组

写入寄存器的作用是在SEN信号的上升沿接收串行寄存器组的输出，并将结果写入射频芯片的内部模块。其中射频芯片比较特殊的要求是根据写入控制字第7位选择将串行输入数据的第0～6 bit数据写入两个不同的控制寄存器中的一个，这样，写入寄存器组的输出位数就变成了30 bit，输入为23 bit。输出寄存器的结构如图4所示。



2.5 写控制器

写控制器的作用是在SEN信号的低电平周期内，判断写入数据是否恰好满足24 bit以使能输出寄存器组，另外根据写入数据的第8位控制低7位数据的写入方向(寄存器A或寄存器B)。写控制器的结构如图5所示。



3 实现结果

图6是采用Verilos实现的SPI接口的部分功能仿真波形，测试激励首先将SPI接口置于发送模式下(SEN为高电平)，SPI接口将从内部获得的信息码“24’hFFFFFE”正确地串行发出；测试激励再将SPI接口置于接收模式下(SEN为低电平)，SPI接口正确接收外部发送的“24’hFFFFF8”，并转换成内部的“30’h3FFC078”。为了保证收发方向切换在一个时钟周期内完成，SEN信号的转换在接口时钟的下降沿完成。通过NC-Verilog仿真，SPI接口功能正确，工作时序符合设计要求。


4 结论

本SPI接口模块已成功应用在一个射频芯片中，以硬IP的形式集成进射频模块中。SPI接口电路在0.18 μm工艺下实现后的版图总尺寸约为240 μm×460 μm，最高工作频率原高于10 MHz的设计上限，相应在10 MHz下的功耗约为2 mW。