SPI接口之间数据传输中故障分析

SPI接口之间数据传输中故障分析

SPI接口工作的时候，没有应答信号，并且数据在发送的时候无需校验位，所以，要求主从器件的软件必须完全符合SPI的时序要求，否则数据传输很容易出现错误。本文通过MCU中SPI接口模块的设计，分析数据传输的各种出错情况，并针对各种情况，增强SPI接口的错误处理能力。

1 SPR设定错误

在从器件时钟频率小于主器件时钟频率时，如果SCK的速率设得太快，将导致接收到的数据不正确（SPI接口本身难以判断收到的数据是否正确，要在软件中处理）。

图1主从时钟和SCK的关系

如图1所示，当T从

图2中，当T从≥TSCK/2=2T主时，在clk_s的两个上升沿都检测不到SCK的低电平，这样从器件就会漏掉一个SCK。在某些相位条件下，即使CLK从侥幸能检测到SCK的低电平，也不能保证可以继续检测到下一个SCK。只要遗漏了一个SCK，就相当于串行数据漏掉了一个位，后面继续接收/发送的数据就都是错误的了。

图2主从时钟和SCK的关系

根据以上的分析，SPR和主从时钟比的关系如表1所列。

表1SPR的设置和主从时钟周期比值之间的关系

在发送数据之前按照表1对SPR进行设置，SPR设定错误可以完全避免。

2 模式错误（MODF）

模式错误表示的是主从模式选择的设置和引脚SS的连接不一致。

图3模式错误的检测

溢出错误表示连续传输多个数据时，后一个数据覆盖了前一个数据而产生的错误。

状态标志SPIF表示的是数据传输正在进行中，它对数据的传输有较大的影响。主器件的SPIF有效由数据寄存器的空标志SPTE=0产生，而从器件的SPIF有效则只能由收到的第一个SCK的跳变产生，且又由于从器件的SPIF和主器件发出的SCK是异步的，因此从器件的传输标志SPIF从相对于主器件的传输标志SPIF主有一定的滞后。如图4所示，在主器件连续发送两个数据的时候将有可能导致从器件的传输标志和主器件下一个数据的传输标志相重叠（图4中虚线和阴影部分），第一个收到的数据必然被覆盖，第二个数据的收/发也必然出错，产生溢出错误。

图4溢出错误

通过对从器件的波形分析发现，counter=8后的第一个时钟周期，数据最后一位的传输已经完成。在数据已经收/发完毕的情况下，counter=8状态的长短对数据的正确性没有影响，因此可以缩短counter=8的状态，以避免前一个SPIF和后一个SPIF相重叠。这样，从硬件上避免了这一阶段的溢出错误。

但是，如果从器件工作速度不够快或者软件正在处理其他事情，在SPI接口接收到的数据尚未被读取的情况下，又接收到一个新的数据，溢出错误还是会发生的。此时，SPI接口保护前一个数据不被覆盖，舍弃新收到的数据，置溢出标志OVR=1;另外发出中断信号（如果该中断允许），通知从器件及时读取数据。

4 偏移错误（OFST）

SPI接口一般要求从器件先工作，然后主器件才开始发送数据。有时在主器件往外发送数据的过程中，从器件才开始工作，或者SCK受到外界干扰，从器件未能准确地接收到8个SCK。如图5所示，从器件接收到的8个SCK其实是属于主器件发送相邻的两个数据的SCK主。这时，主器件的SPIF和从器件的SPIF会发生重叠，数据发生了错位，从器件如果不对此进行纠正的话，数据的接收/发送便一直地错下去。

图5偏移错误

在一个数据的传输过程中，SPR是不允许改变的，即SCK是均匀的，而从图5可以看出，从器件接收到的8个SCK并不均匀，它们是分别属于两个数据的，因此可以计算SCK的占空时间来判断是否发生了偏移错误。经分析，正常时候SCK=1时的时钟周期数n的取值满足如下关系：

但由于主从时钟之间是异步的，并且经过了取整，所以正常时候SCK=1时的时钟周期计数值COUNT应满足：

比如在图5中，COUNT的最大值COUNT（max）=2或者1，都可认为是正常的。但当出现COUNT（max）=8时，可以判定出现了偏移错误。在实际设计中，先记录下第一个COUNT（max）的值，如果后面又出现与记录值相差1以上的COUNT（max）出现，可知有偏移错误OFST

发生。SPI接口在“不均匀”的地方令SPIF=1，然后准备等待下一个数据的第一个SCK。其中COUNT的位数固定为8位，为了避免溢出时重新从00H开始计数，当计数达到ffH时停止计数。

5 其他错误

结语

本文对SPI接口之间数据传输中各种出错情况进行分析，并对SPI接口处理错误的能力进行增强。对一些传输错误，SPI接口可以检测出来，通过对各种错误状态寄存器进行置位，并做相应的处理解决。但是有些错误由硬件本身造成，是检测不到的。因此，在应用中，如果对数据的正确性要求较高，除了要在软件上满足SPI接口的时序要求外，还需要在软件上作适当的处理。

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