CN109408444A - 一种适用于mems传感器信号处理的专用串行接口 - Google Patents

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龙善丽
童紫平
唐兴刚
吴传奇
徐福彬
王丽丽
王丽
张紫乾
武风芹
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Abstract

本发明公开了一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，可以实现主设备与MEMS传感器间的SPI写入数据和SPI读取数据。本发明能够实现MEMS传感器处理电路芯片与外部设备间的数据、地址及操作信号的相互转换、全双工的同步串行数据传送；本发明的接口方式可完成芯片存储器参数配置、实时数据读取、内部模块监控等功能，并且只需要一次写操作即可批量完成芯片参数配置，其他接口方式可能还需要多次写入变更地址操作；而在读取操作中，通过专用的数据有效指示信号，保证传感器数据有效完整输出，操作简单快捷，方便有效。

Description

一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口
技术领域
本发明属于MEMS传感器信号处理电路技术领域，具体涉及一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口。
背景技术
近年来，随着MEMS领域的快速发展，传感器被广泛应用在手机、船舶、惯性导航等领域。由于数字式处理电路对外部温度的变化较为不敏感，且引入噪声更小，因此目前主要的MEMS传感器信号处理电路均为数字式。数字式处理电路其输出结果为数字信号，需要有相应的接口电路来完成。
常用的接口电路以I2C或SPI的方式去输出数据。I2C总线虽然只需要一根数据线和一根时钟线就可以完成通讯，但是其传输速度较慢，且操作较复杂。而SPI接口的操作简单，只需4根线即可完成全双工数据通讯，但是由于SPI接口没有标准协议，大部分厂商都是按照Motorola的SPI的接口定义来设计的，因此各公司的产品在SPI接口技术上会有差异，会出现不匹配的现象。并且在MEMS传感器信号处理电路中，片上存储器带来的相应操作也会使得现有的标准接口难以一一满足处理电路的工作需求。
发明内容
本发明针对以上现有技术的不足，提供了一种基于SPI的适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口。通过该接口，可完成MEMS传感器信号处理电路的参数配置、数据采集以及模块工作状态监控等功能，操作简单快捷，同时可有效避免通讯传输数据错位或丢失，提高系统的工作效率。
为达到上述目的，采用的技术方案是：
一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，包括MISO、MOSI、SCLK、CSB四根信号线，实现主设备与MEMS传感器间的SPI写入数据和SPI读取数据；
SPI写入数据时，主设备通过CSB信号线将MEMS传感器片选信号置低电平，从MOSI信号线端发送包含SPI写命令和SPI地址的第一个字节，再从MOSI信号线的第二个字节开始写入数据，写入的数据共有N*8bits，N≤9，写入数据每隔8bits其SPI地址自动加1，直至片选信号置高电平，写数据结束；
SPI读取数据时，主设备通过CSB信号线将MEMS传感器片选信号置低电平，从MOSI信号线端发送包含SPI读命令和SPI地址的第一个字节，从第二个字节开始，主设备MOSI信号线端不再发送信号，由MEMS传感器的MISO信号线端将读取数据返回至主设备，直至片选信号置高电平，读取数据结束。
SPI写入数据时，片选信号在整个写数据过程保持低电平不变。
通过MOSI信号线端的写入数据依次为输入数据、存储器地址和存储器写命令。
输入数据存放于SPI地址6至地址9的寄存器中；存储器地址存放于SPI地址10的寄存器中；存储器写命令存放于SPI地址11的寄存器中。
SPI写命令为4位二进制数0111。
SPI读命令为4位二进制数0101。
MEMS传感器输出数据存放于SPI地址0至地址4的寄存器中。
读取的数据以N*8bits的格式输出，N≤9。
主设备发送的每一帧SPI读取指令的频率大于MEMS传感器输出数据频率。
设置一用于标示MEMS传感器输出数据有效的指示信号，存放于SPI地址0的寄存器中；在读取MEMS传感器数据时，首先根据指示信号鉴别读取数据是否有效，若指示信号为“0”，说明输出数据被重复采样读取，丢弃此时的输出数据；若指示信号为“1”，说明输出数据有效，保留此时的输出数据。
本发明的优点为：
本发明能够实现主机和从机的数据、地址及操作信号的相互转换；实现MEMS传感器处理电路芯片(从机)与外部设备(主机)间全双工的，同步串行数据传送功能；本发明的接口方式可完成芯片存储器参数配置、实时数据读取、内部模块监控等功能，并且只需要一次写操作即可批量完成芯片参数配置，其他接口方式可能还需要多次写入变更地址操作。本发明的最高传输速率可达10Mbps。而在读取操作中，本发明接口设计了专用数据有效指示信号，保证传感器数据有效完整输出，操作简单快捷，方便有效。
附图说明
图1为本发明接口写数据时序；
图2为本发明接口读数据时序；
图3为本发明接口读数据有效指示信号生成时序。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，包括MISO、MOSI、SCLK、CSB四根信号线，包含实现主设备与作为从设备的MEMS传感器间的SPI写入数据和SPI读取数据两个步骤。
图1是专用串行接口写数据时序图。主设备将片选信号CSB拉低，且整个写数据过程保持不变。SCLK是由主设备端发送的时钟信号，写数据时，主设备每发送1bit数据，从设备需在SCLK上升沿采样到MOSI端发送的数据。主机主设备首先从MOSI端发送第一个字节，包含SPI写命令(4位二进制数0111)和SPI地址，然后从MOSI的第二个字节开始为写入数据，数据总共可以有N*8bits(N≤9)，写入数据每隔8bits其SPI地址自动加1，免去重复写地址和数据的烦琐步骤。由此可一次性将配置参数写入内部存储器，通过MOSI端的写入数据依次为输入数据(SPI地址6至9中)、存储器地址(SPI地址10)、存储器写命令(SPI地址11)，最后将片选信号CSB拉高，结束写数据操作。
表1是整个专用接口的内部寄存器分布，其中只有SPI地址6至14可写入数据。其余地址数据为只读数据。
表1接口的内部寄存器映射表
图2是专用接口读数据时序图。读取数据时，信号处理芯片作为从机发送传感器的输出数据。从设备发送的数据在SCLK时钟信号下降沿时更新，从机每发送1bit数据，主机在SCLK上升沿采样到此数据。具体过程如下：主设备将片选信号CSB拉低，且在读取数据过程的过程不变。主设备首先从MOSI端发送第一个字节，包含SPI读命令(4位二进制数0101)和SPI地址，其中传感器输出数据存放于地址0至地址4中，其他数据可按表1选取地址进行读取操作。随后从第二个字节开始，主机MOSI端不再发送信号，由从机的MISO端将读取数据返回至主机。读取的数据最好以N*8bits的格式输出，直至片选信号CSB拉高，读取操作完成。
读取传感器数据时，必须一次性读出SPI地址0至地址4的输出，每读出一组数据，都需要按照图2的时序示意格式发送一帧指令，并且为了保证数据的完整性和正确性，每一帧指令的频率需略大于实际的传感器输出数据速率(ODR)。本发明的最高传输速率可达10Mbps。
图3是传感器数据输出传输至主机的时序示意。由于主机发送的SPI读取指令的频率会略大于传感器输出数据频率，这样就会在一定时间后产生重复采样数据。本发明设计了一个专门用于标示数据有效的指示信号，存放于SPI地址0中。在读取传感器数据时，首先根据有效指示信号鉴别读取数据是否有效，输出数据如果被重复采样读取，有效指示信号为“0”，数据丢弃；如果有效指示信号为“1”，输出数据有效，保留。这样不仅能保证传感器输出数据的完整正确，以便后续处理，同时操作简单。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，包括MISO、MOSI、SCLK、CSB四根信号线，实现主设备与MEMS传感器间的SPI写入数据和SPI读取数据；
SPI写入数据时，主设备通过CSB信号线将MEMS传感器片选信号置低电平，从MOSI信号线端发送包含SPI写命令和SPI地址的第一个字节，再从MOSI信号线的第二个字节开始写入数据，写入的数据共有N*8bits，N≤9，写入数据每隔8bits其SPI地址自动加1，直至片选信号置高电平，写数据结束；
SPI读取数据时，主设备通过CSB信号线将MEMS传感器片选信号置低电平，从MOSI信号线端发送包含SPI读命令和SPI地址的第一个字节，从第二个字节开始，主设备MOSI信号线端不再发送信号，由MEMS传感器的MISO信号线端将读取数据返回至主设备，直至片选信号置高电平，读取数据结束。
2.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，SPI写入数据时，片选信号在整个写数据过程保持低电平不变。
3.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，通过MOSI信号线端的写入数据依次为输入数据、存储器地址和存储器写命令。
4.根据权利要求3所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，输入数据存放于SPI地址6至地址9的寄存器中；存储器地址存放于SPI地址10的寄存器中；存储器写命令存放于SPI地址11的寄存器中。
5.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，SPI写命令为4位二进制数0111。
6.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，SPI读命令为4位二进制数0101。
7.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，MEMS传感器输出数据存放于SPI地址0至地址4的寄存器中。
8.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，读取的数据以N*8bits的格式输出，N≤9。
9.根据权利要求1所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，主设备发送的每一帧SPI读取指令的频率大于MEMS传感器输出数据频率。
10.根据权利要求1或9所述的一种适用于MEMS传感器信号处理的专用串行接口，其特征是，设置一用于标示MEMS传感器输出数据有效的指示信号，存放于SPI地址0的寄存器中；在读取MEMS传感器数据时，首先根据指示信号鉴别读取数据是否有效，若指示信号为“0”，丢弃此时的输出数据；若指示信号为“1”，保留此时的输出数据。
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