SPI 總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信以交換信息，并且硬件連接較少，編程方便。 SPI接口已經(jīng)是一種標準外設(shè)接口，目前已有很多MCU及外設(shè)都帶有SPI接口。MCS51雖然也有帶SPI接口的單片機——AT89S8252，但價格相對較高。在開發(fā)基于RFID的自助語音導游系統(tǒng)中，由于RFID讀卡模塊帶有SCI接口，XF-S4240語音合成模塊帶有SCI及SPI接口，如采用不帶有SPI接口的AT89C51單片機，必然存在擴展接口的問題。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中文語音合成模塊是中科大訊飛信息科技有限公司面向高端應(yīng)用推出的嵌入式中文語音合成模塊，可支持任意的中文文本、英文字母的語音合成。該模塊可以通過異步串口(UART)、SPI接口及I2C總線3種方式接收待合成的文本，直接合成為語音輸出。
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(shè)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(shè)備)。在與選定的XF-S4240板卡通信時，要將此設(shè)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(shè)備，語音模塊是從設(shè)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(yīng)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(nèi)容按位送到引腳SPISIMO上。經(jīng)過8位時鐘周期完成1字節(jié)的發(fā)送。當SPIDAT的內(nèi)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(nèi)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(shè)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。
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。
虛擬SPI通信程序及驗證如下：
利用此SPI通信子程序，實現(xiàn)了需要的語音合成功能。
結(jié)語
SPI接口現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字電路中，能夠與很多種微處理器及外設(shè)相連。在沒有設(shè)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(shù)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。