CN107832250A - 一种基于spi的主从通讯时序方法及可靠传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SPI的主从通讯系统及可靠传输方法,属于通信技术领域。所述方法包括：一方面提供一种基于SPI接口的主从通讯时序方法：即从SPI设备关闭SPI模块后，主SPI的SS信号线与从SPI的握手线相连，该握手线可以与从SPI的SS信号复用，也可以为从SPI设备的一个GPIO引脚；另一方面提供了一种基于SPI接口的主从数据可靠传输方法，引入数据链路层和应用层，数据链路层拥有出错重发处理机制。通过上述方法，本发明解决了SPI接口通讯时序匹配困难与通讯可靠性较低的缺陷，且方案易于实现，硬件成本低，可靠性高，传输效率高，兼容性好。

Description

一种基于SPI的主从通讯时序方法及可靠传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术技术领域，特别涉及一种基于SPI的主从通讯系统及可靠传输方法。

背景技术

SPI(Serial Peripheral Interface)，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI总线的典型结构是由四条线组成：SCLK，SS，MOSI和MISO。SPI有两种工作模式：主模式和从模式，工作在主模式的为主SPI(即主SPI设备)，否则为从SPI(即从SPI设备)。

SCK:串行时钟线，用于同步主从SPI设备的数据传输；SS:从SPI片选线，用于激活从SPI设备，由主SPI输出，低电平有效；MOSI:主SPI输出从SPI输入线，MISO:主SPI输入从SPI输出线。

SPI，作为一种高速、全双工、同步通信总线，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，但SPI通讯的缺陷也是比较明显的的，主要存在以下两个缺陷：

缺陷一：SPI整个通讯过程只能由主SPI通过SS信号线控制，从SPI无主动控制权，这样导致从SPI收完数据后，需要处理相应命令与任务，而从SPI对每个命令的执行时间不同，有可能导致从SPI被动的接收不需要的数据，从而干扰当前的数据接收区，导致通讯失败。

为解决缺陷一，现有的研究中有的通过增加4条信号握手线或者2条信号握手线，保证主从通讯的同步，该类研究虽然解决了主从通讯不匹配的问题，但是需要主从均增加2个或者4个硬件引脚，会带来硬件挑战与硬件成本；

为解决缺陷一，有的研究指出待主SPI发送完数据后，通过固定延时间隔，启动接收从SPI发送数据，但是很容易造成要么间隔时间太短，造成通讯出错，要么间隔时间太长，造成通讯效率低下；

为解决缺陷一，有的研究通过定制主从双方的SPI移位寄存器以及接收发送Buffer，但是同样会带来硬件挑战与硬件成本，不具备通用性。

缺陷二：SPI通讯过程无校验机制，无确认应答机制，也没有相应的国际标准或者行业标准进行规避，因此在通讯环境较恶劣时，很容易受外界的干扰而导致通讯失败。

为解决缺陷二，现有的研究中通过制定私有通讯协议，引入了应答机制，采用字符传输，即发送方传输一字节，接收方确认一固定字节，但是该协议有以下三个不足：1)采用字符传输，通讯效率低下；2)无校验机制，如果受到通讯干扰，无法检测；3)无出错恢复机制，如果应答字节错误时，无重发机制去恢复通讯链路。

发明内容

本发明为了解决SPI通讯的上述两个缺陷，以及克服现有技术中存在的不足，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一方面提供一种基于SPI接口的主从通讯时序方法：主从SPI通过典型的SCLK，SS，MOSI和MISO四条线互相连接，同时从SPI设备关闭SPI模块后，有一条握手线与主SPI的SS信号线相连接，该握手线可以与从SPI的SS信号线复用，也可以为芯片的GPIO引脚，所述方法包括如下步骤：

(1)主从SPI模块根据约定初始化完成，主SPI发送3字节起始域数据后失效SS信号线(SS信号拉高)，失效时间T1；

(2)主SPI有效SS信号线，发送后续数据，每XX字节(最后一次主SPI发送数据可能小于XX)数据SS信号失效一次，失效时间T2；

(3)主SPI发送完数据后，失效SS信号T3；

(4)从SPI收完所有数据后，清零硬件发送Buffer，关闭从SPI模块，处理相关命令和任务，任务处理完成后，判断握手线的状态变化过程为高电平->低电平->高电平，满足要求后，启动SPI模块，启动3字节起始域发送；

(5)主SPI发送完所有数据后，清零硬件发送Buffer，然后启动接收3字节数据(从SPI将返回3字节起始域)；

(6)主SPI判断起始域数据是否为正确帧，如果是，执行步骤7，否则失效SS信号T4时间，执行步骤5；

(7)主SPI收到从SPI返回正确的3字节数据后，失效SS信号T5，准备接收后续数据，之后每XX字节(最后一次主SPI接收数据可能小于XX)失效一次SS信号，失效时间T5。

上述步骤中，T1，T2，T3，T4，T5，XX具体值均可以协商指定。

本发明另一方面提供了一种基于SPI接口的主从数据可靠传输方法，采用帧传输机制，引入数据链路层和应用层，对SPI接口通讯过程进行分层处理。数据链路层包括激活帧处理(处理RESET帧与RATR帧)，信息帧处理(交互应用层数据),过程帧处理(处理出错重发帧与延时请求帧)；各帧之间通过状态机进行控制，状态机变化过程为：IDLE STATE->INITIAL STATE->ACTIVE STATE；

帧结构由起始域，信息域，终止域三部分组成。起始域包括PIB(协议帧指示字节)与LEN(代表信息域与终止与的长度)，信息域为主从设备实际交互的应用层数据，终止域简称LRC，为对起始域与信息域所有字节进行异或计算。

RESET帧处理：1)主SPI发送RESET请求对协议参数进行复位，从SPI收到正确的请求后，须响应RESET应答帧，从SPI设备由IDLE STATE->INITIAL STATE；2)如果从SPI收到无效的RESET请求后，不应当响应，保持当前状态不变，且继续保持在接收模式；3)从SPI处于接收模式时，无论什么时候必须可以正确响应RESET请求。

RATR帧处理：1)主SPI发送RATR请求帧，获取从SPI端相关信息，同时主SPI与从SPI通过该帧去确定失效时间T1，T2，T3，T4，T5以及协商主从单次最大通讯长度XX；2)从SPI收到有效的RATR请求后，应当返回正确应答，且进入ACTIVE态；3)从SPI收到无效的RATR后，不应当响应，继续保持在接收模式；4)从SPI只有正确响应RESET请求后，才可以正确处理RATR请求，否则，芯片保持在接收模式；

信息帧处理：主SPI与从SPI交互应用层数据，具体数据实施例中可以自行定义；

过程帧处理包括处理以下两个机制：延时请求机制：a)当从SPI收到信息帧后，如果需要多于FWT(最长帧等待时间，即从SPI收转发的最大时间)的时间进行处理，那么需要在发送响应之前，发送延时请求帧；b)主SPI收到正确的延时请求后，需回复延时请求应答帧确认，同时需要将FWT重新记时，继续接收从SPI响应；c)主SPI收到错误的延时请求帧，主SPI FWT不需要重新计时，同时主SPI需要发送错误重发帧，请求从SPI重新发送上一帧；

错误处理机制:1)主SPI收到从SPI发送的数据后，需校验接收的LRC与实际计算的LRC是否一致，如果不一致，说明从SPI数据在传输过程中出现错误，主SPI需发送错误重发帧，此时从SPI需要重发上一帧；2)从SPI收到主SPI发送的数据后，需要校验接收的LRC与实际计算的LRC是否一致，如果不一致，从SPI响应错误重发帧，此时主SPI需要重发上一帧。

本发明一方面通过提供一种基于SPI接口的主从通讯时序方法，解决了SPI接口通讯双方时序匹配困难的问题，同时克服了现有研究中为解决此问题而带来的硬件成本改动问题，提高了硬件兼容性；本发明另一方面通过提供一种基于SPI接口的主从数据可靠传输方法，解决了SPI接口通讯无应答机制与校验机制的问题，同时克服了现有技术中为解决此问题而带来的通讯效率低下问题，克服了现有技术中出现了错误而无法链路恢复的问题，增强传输可靠的同时，提高了通讯效率与协议可继承性。

附图说明

图1是本发明的SPI主从通讯时序图

图2是本发明的通讯协议帧结构图

图3是本发明的通讯协议帧指示字节编码图

图4是本发明的通讯协议状态转换图

图5是本发明的RESET请求帧结构图

图6是本发明的RATR请求帧结构图

图7是本发明的RATR应答帧结构图

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明一方面提供一种基于SPI接口的主从通讯时序方法，如图1所示，主要包括如下7个步骤：

(1)主SPI发送3字节起始域数据(PIB+LEN)后失效(SS信号拉高)SS信号线，失效时间50us；

(2)主SPI有效SS信号线发送后续数据，每16字节(最后一次主SPI发送数据可能小于16字节)数据SS信号失效一次，失效时间100us。

(3)主SPI发送完数据后，失效SS信号100us；

(4)从SPI收完所有数据后，清零硬件发送Buffer前3字节数据，关闭从SPI模块，处理相关命令和任务，任务处理完成后，判断握手线的状态变化过程为高电平->低电平->高电平，满足要求后，启动SPI模块，然后启动3字节起始域(PIB+LEN)发送；

(5)主SPI发送完所有数据后后，清零硬件发送Buffer前3字节数据，然后启动接收3字节数据(从SPI将返回3字节起始域)；

(6)主SPI判断起始域数据是否为正确帧，如果是，执行步骤7，否则失效SS信号100us，执行步骤5；

(7)主SPI收到从SPI返回正确的3字节起始域数据后，失效SS信号100us，准备接收后续数据，之后每16字节(最后一次主SPI接收数据可能小于16)失效一次SS信号，失效时间100us。

本发明另一方面提供一种基于SPI接口的主从数据可靠传输方法，主要包括以下措施：

如图2所示，本发明采用帧结构传输，起始域(PIB+LEN)长度为3字节，PIB占用1字节，LEN为2字节，LEN代表后续信息域与终止域的总长度；信息域用来传输SPI主从设备的实际应用数据；终止域占用1字节，为对起始域与信息域所有字节进行异或计算。

如图3所示，本发明支持帧类型分为3类，其中激活帧又可以分为RESET帧与RATR帧，过程帧可以分为错误重发帧与延时请求帧。

如图4所示，本发明传输方法引入状态机控制各帧的执行流程，主要包括三种状态:IDLE STATE->INITIAL STATE->ACTIVE STATE,且各状态转换条件必须满足图4中的条件。

如图5所示，D3字节代表当前为RESET请求帧，Parameter为参数字节，从SPI收到主SPI的RESET正确请求后，响应RESET应答帧，应答帧的具体结构与数值跟请求帧保持一致，且协议状态从IDLE STATE->INITIAL STATE。

如图6所示，E2代表为RATR请求帧，Parameter为FSMI(主SPI接收长度因子)，编码了FSM，FSM指示了主SPI单次可接收最大长度，代表主SPI的最大接收能力，FSMI与FSM的映射关系为：FSM＝FSMI*16，当FSMI为0时，等同于FSMI为256。

如图7所示，为RATR应答帧结构：TS为初始字节：当为5AH时，代表主从通讯期间，主SPI失效SS信号的时间T1，T2，T3，T4，T5通过时间因子字段指定；当为其余值时，代表主SPI失效SS信号的时间采用初始约定值，本实例固定为3BH；T0为格式字节，b8-b5固定为0001b(表明仅支持TA接口字节)，b4-b1代表历史字节长度；TA为FSSI(从SPI接收长度因子)，编码了FSS，FSS指示了从SPI单次可接收最大长度，FSS＝(FSSI*16)，当FSSI为0x00时，等同于FSSI为0x256；时间因子字段，如果存在时，固定为5字节，编码了Tx，即Tx＝TIx*10us，例如T1＝TI1*10us；H1……Hk为历史字节；从SPI收到有效的RATR请求后，应当返回正确应答，且进入Active态；

信息帧信息域数据结构：主SPI发送信息帧有效数据为：CLA INS P1P2[Lc field][Data field][Le field],其中：CLA是命令类别；INS是命令类别中的指令代码；P1，P2是一个完成指令代码的参考符号；Lc field，Data field，Le field为option；

主SPI接收信息帧有效数据为：[Data field]Sw1Sw2，其中：Sw1Sw2是指令执行完毕后，从设备返回的状态字；[Data field]为option；

延时请求处理：协议延时请求帧信息域数据为60H，当从SPI收到信息帧后，如果需要多于FWT的时间进行处理，那么需要在发送响应之前，发送延时请求帧。主SPI收到正确的延时请求后，需回复延时请求应答帧确认，同时需要将FWT重新记时，继续接收从SPI响应；主SPI收到错误的延时请求帧，主SPI FWT不需要重新计时，同时主SPI需要发送错误重发帧，请求从SPI重新发送上一帧；

通讯错误处理：错误重发帧信息域数据为3CH，协议在信息帧与过程帧交互时，支持错误重发机制。从SPI收到主SPI发送数据后，需要校验接收的LRC与实际计算的LRC是否一致，如果不一致，从SPI响应错误重发帧，此时主SPI需要重发上一帧。主SPI收到从SPI发送数据后，需校验接收的LRC与实际计算的LRC是否一致，如果不一致，说明从SPI数据在传输过程中出现错误，主SPI需发送错误重发帧，此时从SPI需要重发上一帧。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例，非因此局限本发明保护范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于SPI接口的主从通讯时序方法，其特征在于，关闭从SPI(从SPI设备)模块后，从SPI有一条握手线与主SPI(主SPI设备)的SS信号线连接，所述方法包括如下步骤：

(1)主SPI发送起始域数据后失效SS信号线，失效时间T1；

(2)主SPI继续有效SS信号线，发送数据，每传输XX字节数据失效SS信号T2时间；

(3)主SPI发送完所有数据后，失效SS信号T3时间；

(4)从SPI收完所有数据后，清零硬件发送Buffer，关闭从SPI模块，处理完成任务后，重新启动SPI模块，发送起始域；

(5)主SPI清零发送硬件发送Buffer，循环启动接收从SPI发送起始域数据；

(6)判断起始域数据是否合法，如不合法，主SPI失效SS信号T4时间，继续执行步骤(5)；

(7)起始域数据合法，主SPI失效SS信号T5时间；主SPI继续有效SS信号线，接收数据，每接收XX字节数据失效T5时间。

2.如权利要求1所述的主从通讯时序方法，其特征在于，失效时间T1，T2，T3，T4，T5以及主从单次最大通讯长度XX可协商确定。

3.如权利要求1所述的主从通讯时序方法，其特征在于，从SPI关闭SPI模块后，SS信号线与握手线连接；SPI处理完成命令和任务后，从SPI判断握手线的状态变化过程为高电平->低电平->高电平，满足要求后，启动从SPI模块。

4.一种基于SPI接口的主从数据可靠传输方法，其特征在，于主从数据传输采用帧传输，所述方法包括：

主从通讯帧包括激活帧，信息帧，过程帧；

从SPI采用状态机控制，状态机变化过程为：IDLE STATE->INITIAL STATE->ACTIVESTATE。

5.如权利要求4所述的主从数据可靠传输方法，其特征在于，激活帧包括RESET帧与RATR帧，过程帧包括出错重发帧与延时请求帧。

6.如权利要求4所述的主从数据可靠传输方法，其特征在于，帧由起始域，信息域，终止域组成，终止域为对起始域与信息域所有数据的异或校验值。

7.如权利要求4所述的主从数据可靠传输方法，其特征在于，通过RATR请求应答帧协商失效时间T1，T2，T3，T4，T5以及主从单次最大通讯长度XX。

8.如权利要求4所述的主从数据可靠传输方法，其特征在于，传输过程出错时，终止域会校验错误，接收方反馈出错重发帧，发送方收到后重发上一帧。

9.如权利要求4所述的主从数据可靠传输方法，其特征在于，从SPI收完信息帧后，最大等待时间内，如从SPI尚未处理完成任务，从SPI通过发送延时请求帧向主SPI申请更多处理时间。