同步外設接口（SPI）是由摩托羅拉公司開發(fā)的全雙工同步串行總線，該總線大量用在與EEPROM、ADC、FRAM和顯示驅動器之類的慢速外設器件通信。SPI（Serial Peripheral Interface）是一種串行同步通訊協(xié)議，由一個主設備和一個或多個從設備組成，主設備啟動一個與從設備的同步通訊，從而完成數(shù)據(jù)的交換。SPI 接口由SDI（串行數(shù)據(jù)輸入），SDO（串行數(shù)據(jù)輸出），SCK（串行移位時鐘），CS（從使能信號）四種信號構成，CS 決定了的與主設備通信的從設備，如沒有CS 信號，則只能存在一個從設備，主設備通過產生移位時鐘來發(fā)起通訊。通訊時，數(shù)據(jù)由SDO 輸出，SDI 輸入，數(shù)據(jù)在時鐘的上升或下降沿由SDO 輸出，在緊接著的下降或上升沿由SDI 讀入，這樣經過8/16 次時鐘的改變，完成8/16 位數(shù)據(jù)的傳輸。

　　本文介紹的C51軟件模擬實現(xiàn)SPI通信接口的方法，編程簡單，有效降低了系統(tǒng)的成本。該方法已在項目開發(fā)中得到了驗證。

　　1 語音模塊XF-S4240

　　XF-S4240語音合成模塊是一款高端中文語音合成模塊。該模塊可通過UART、SPI和I2C三種接口接收待朗讀的文本，將文本轉換為語音輸出，具有非常好的文本朗讀效果。模塊采用COB（Chip On Board）封裝，可方便的集成到需要中文語音合成功能的嵌入式設備之中。此模塊面向無法利用軟件實現(xiàn)語音合成的嵌入式應用環(huán)境提供一套效果卓越的語音技術解決方案。

　　XF-S4240語音模塊封裝成16引腳形式，其13~16腳就是SPI通信接口。

　　其命令格式由幀頭、數(shù)據(jù)長度區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)3部分組成。如要合成"歡迎您參觀莫高窟。",只需對模塊發(fā)送格式為GB2312的文本代碼：

 　　其中0xFD為幀頭，0x00為數(shù)據(jù)區(qū)長度的高字節(jié)，0x14為數(shù)據(jù)區(qū)長度的低字節(jié)（注意：長度字節(jié)為合成代碼字節(jié)長+2），0x01為語音合成命令，0x00為GB2312的命令碼。0xBB、0xB6為"歡"的GB2312碼，0xD3、0xAD為"迎"的G132312碼……0xA1、 0xA3為"."的GB2312碼。

　　2 XF-S4240的SPl通信方式

　　2.1 XF-S4240的SPI通信說明

　　XF-S4240模塊的SPI接口是4線全雙工同步串行通信接口。模塊在SPI通信中設置為Slave身份，SPI通信所需的時鐘信號由上位機提供，即上位機作為SPI通信中的Master身份，傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)為8位。

　　圖 1是SPI通信的時序。SPI通信屬于同步串行通信。在與模塊的通信中，上位機將提供SCK同步時鐘信號。在SCK的上升沿，模塊和上位機同時鎖存1位數(shù)據(jù)，每傳輸8位數(shù)據(jù)完成1字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸。使用SSEL選擇使能信號，是為了方便用戶在SPI通信接口上掛接多個XF-S4240板卡（或其他SPI接口的設備）。在與選定的XF-S4240板卡通信時，要將此設備的SSEL置為低電平，否則無法正常通信。　　

　　在本項目中，單片機是主設備，語音模塊是從設備。主模式的顯著特征是：不論是發(fā)送還是接收，始終有SPI-CLK信號，SPISTE信號不是必需的。因為SPI串口只能有1片主機，因而不存在主機選擇問題，而且主模式下，同步時鐘SPICLK應由主機提供。

　　2.2 SPI通信的工作原理

　　要模擬SPI接口的工作過程，必須先了解SPI通信的工作原理。

　　在主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，直接將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到主機的數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器SPIDAT.這個寫操作就自動地啟動了主機的發(fā)送過程，即在同步時鐘SPICLK的節(jié)拍下將SPIDAT的內容按位送到引腳SPISIMO上。經過8位時鐘周期完成1字節(jié)的發(fā)送。當SPIDAT的內容移送完畢時，硬件將置一個中斷標志 SPIINT FLAG,通知主機這個數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。

　　對于從機，在同步時鐘SPICLK的作用下，將引腳SPISI-MO上的數(shù)據(jù)按位接收到移位寄存器SPIDAT.當一個完整的數(shù)據(jù)塊接收完畢后，將置一個中斷標志SPIINT FLAG,通知從機這個數(shù)據(jù)塊接收完畢；同時將這個數(shù)據(jù)塊的內容復制到從機的SPI數(shù)據(jù)接收寄存器SPIRXBUF中，并進行右對齊。SPI通信中主機和從機的連接如圖2所示。　

　　3 軟件模擬SPI接口的實現(xiàn)

　　3.1 XF-S4240語音模塊與單片機的連接

　　本設計中，AT89C51的SCI接口已被RFID讀卡模塊WM-01TA占用，由于AT89C51不帶有SPI接口，需要用I/O口模擬實現(xiàn)SPI接口來實現(xiàn)與XF-S4240的通信。為了保持電路與AT89S8252電路的一致性，在AT89C51的P1口（其中的P1.4~P1.7）上擴展了SPI接口。

　　SS（P1.4）：從使能輸入腳，低電平有效。

　　MOSI（P1.5）：主數(shù)據(jù)輸出或從數(shù)據(jù)輸入腳。

　　MISO（P1.6）：主數(shù)據(jù)輸入或從數(shù)據(jù)輸出腳。

　　SCK（P1.7）：主時鐘輸出或從時鐘輸入腳。

　　CS（P1.1）：片選。

　　RST（P1.0）：語音模塊復位。

　　XF-S4240與單片機的連接如圖3所示?！　?/P>

　　3.2 虛擬SPI通信的軟件模擬流程及驗證

　　虛擬與SPI流程如圖4所示?！?/P>

　　結語

　　SPI接口現(xiàn)已廣泛應用于各種數(shù)字電路中，能夠與很多種微處理器及外設相連。在沒有設置SPI專用接口的場合，采用虛擬SPI的方法是一種簡便易行的解決方案。實踐證明，虛擬SPI時序技術實現(xiàn)的通信具有簡單、穩(wěn)定、易用的特點，對于提高系統(tǒng)的性價比有現(xiàn)實意義。