基于A(yíng)VR單片機SPI的串行ADC接口設計
加入技術(shù)交流群
關(guān)鍵字：SPI、AVR單片機、MAX187
1、AVR單片機的SPI接口
SPI（SerialPeripheralInterface---串行外設接口）總線(xiàn)系統是一種同步串行外設接口，允許MCU與各種外圍設備以串行方式進(jìn)行通信、數據交換，廣泛應用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域?；诖藰藴?，SPI系統可以直接于各個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的多種標準外圍器件直接接口。SPI接口通常包含有4根線(xiàn)：串行時(shí)鐘（SCK）、主機輸入/從機輸出數據線(xiàn)（MISO）、主機輸出/從機輸入數據線(xiàn)（MOSI）和低電平有效的從機選擇線(xiàn)SS。在從機選擇線(xiàn)SS使能的前提下，主機的SCK脈沖將在數據線(xiàn)上傳輸主/從機的串行數據。主/從機的典型連接圖如圖（1）所示：
圖（1）主/從機的連接圖
串行外設接口SPI允許ATmega16和外設之間進(jìn)行高速的同步數據傳輸。ATmega16SPI的特點(diǎn)如下：全雙工，3線(xiàn)同步數據傳輸，主/從機操作，LSB首先發(fā)送或MSB首先發(fā)送，7種可編程的比特率，傳送中斷結束，寫(xiě)碰撞標志檢測，可以從閑置模式喚醒，作為主機時(shí)具有雙速模式（CK/2）。
如圖（2）所示，系統包括兩個(gè)移位寄存器和一個(gè)主時(shí)鐘發(fā)生器。通過(guò)將需要的從機的SS引腳拉低，主機啟動(dòng)一次通信過(guò)程。主機和從機將需要的數據放到相應的移位寄存器，主機在SCK引腳上產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖以交換數據。主機的數據從MOSI移出，從從機MISO移入。從機的數據從MISO移出，從從機MOSI移入。主機通過(guò)將從機的SS拉高實(shí)現與從機的同步。
圖（2）SPI主機-從機的互連
下面將介紹SPI的幾個(gè)特殊寄存器：
1.1SPI的控制寄存器―SPCR
SPIE為SPI中斷使能，置位后，只要SPSR寄存器的SPIF和SREG寄存器的全局中斷使能位置位，就會(huì )引發(fā)SPI中斷。SPE置位將使能SPI，DORD置位時(shí)數據的LSB首先發(fā)送；否則數據的MSB首先發(fā)送。MSTR置位時(shí)選擇主機模式，否則為從機。CPOL置位表示空閑SCK為高電平；否則空閑時(shí)SCK為低電平。CPHA決定數據是在SCK的起始沿采樣還是在SCK的結束沿采樣。通過(guò)對SPR1、SPR0進(jìn)行設計，確定主機的SCK速率。
1.2SPI的狀態(tài)寄存器―SPSR
SPIF為中斷標志位，串行發(fā)送結束后，SPIF置位。若此時(shí)寄存器 SPCR的SPIE和全局中斷使能位置位，SPI中斷即產(chǎn)生。進(jìn)入中斷例程后SPIF將自動(dòng)清零。在發(fā)送當中對SPI數據寄存器SPDR寫(xiě)數據將置位WCOL，SPI2X置位后SPI的速度加倍。
1.3SPI的數據寄存器―SPDR
SPDR數據寄存器為讀/寫(xiě)寄存器，用來(lái)在寄存器文件SPI移位寄存器之間傳輸數據。寫(xiě)寄存器將啟動(dòng)數據傳輸，讀寄存器將讀取寄存器的接收緩沖器。SPI系統的發(fā)送方向只有一個(gè)緩沖器，而在接收方向有兩個(gè)緩沖器。也就是說(shuō)，在發(fā)送時(shí)一定要等到移位過(guò)程全部結束后才能對SPI數據寄存器執行寫(xiě)操作。而在接收數據時(shí)，需要在下一個(gè)字符移位過(guò)程結束之前通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)SPI數據寄存器讀取當前接收到的字符。否則第一個(gè)字節將丟失。
在本設計中所使用的串行ADC芯片，選用了MAXIM公司MAX187。在A(yíng)VR單片機SPI主機的控制下，完成對MAX187轉換后的數據讀操作。
2、MAX187的介紹
MAX187是美信公司推出的12位A／D轉換芯片，內部含有采樣／保持電路，單5V操作電源，轉換速度為8．5μs，具有片上4．096V參考電壓，模擬量輸入范圍為0～VBEF。三線(xiàn)串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire總線(xiàn)。
MAX187用采樣／保持電路和逐位比較寄存器將輸入的模擬信號轉換為12位的數字信號，其采樣／保持電路不需要外接電容。MAX187有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將置為低電平進(jìn)入休眠模式，這時(shí)的電流消耗降到10μA以下。置為高電平或懸空進(jìn)入正常操作模式。
完整的操作時(shí)序如圖（3）所示。使用內參考時(shí)，在電源開(kāi)啟后，經(jīng)過(guò)20ms后參考引腳的4．7μF電容充電完成，可進(jìn)行正常的轉換操作。A/D轉換的工作過(guò)程是：當為低電平時(shí)，在下降沿MAX187的T／H電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并開(kāi)始轉換，8．5μs后DOUT輸出為高電平作為轉換完成標志。這時(shí)可在SCLK端輸入一串脈沖將結果從DOUT端移出，讀入單片機中處理。數據讀取完成后將置為高電平。要注意的是：在置為低電平啟動(dòng)A/D轉換后，檢測到DOUT有效（或者延時(shí)8.5μs以上），才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數據，SCLK至少為13個(gè)。發(fā)完脈沖后應將置為高電平。
圖（3）SPI/Microwire串行接口時(shí)序圖(CPOL=CPHA=0)
3、串行ADC接口設計與實(shí)現
MAX187電源需要加去耦合電容，常見(jiàn)的方法是用一個(gè)4．7μF電容和一個(gè)0．1μF電容并聯(lián)。為保證采樣精度，最好將MAX187與單片機分開(kāi)供電。4腳為參考端接一個(gè)4．7μF的電容，這是使用內部4．096V參考電壓方式。輸入模擬信號的電壓范圍為0～4．096V，如模擬輸入電壓不在這個(gè)范圍要外加電路進(jìn)行電壓范圍的變換。MAX187只有一路模擬輸入通道，如輸入為多路信號，要外加多路模擬開(kāi)關(guān)。如圖（4）所示，Vinp為模擬信號的輸入端，經(jīng)過(guò)MAX187轉換后得到12的數據，通過(guò)SCLK、CS、DOUT分別與AVR單片機SPI的SCK、SS、MISO相接，在單片機的控制下對數據進(jìn)行讀取。
圖（4）MAX187的硬件接線(xiàn)圖
程序設計：
程序采用ATmega16編制，在A(yíng)TmanAvr環(huán)境下調試通過(guò)。程序的基本思想是：定義PB7腳為時(shí)鐘SCLK，PB6為數據DOUT，PB4為片選。片選有效后延時(shí)8．5μs以上確保轉換完成，在時(shí)鐘SCLK的作用下從數據輸出端讀出轉換的數據后存入兩個(gè)無(wú)符號字符變量中，將這2個(gè)字符變量拼成一個(gè)16位無(wú)符號整形變量作用函數返回值返回，返回值的低12位有效。
#definess4//PB4
#definemosi5//PB5
#definemiso6//PB6
#definesck7//PB7
PORTB=0x4f;DDRB=0xb0;//對PB口的初始化
voidspi_init(void)
{
SPSR=0x0;
SPCR=0x50;
}
unsignedintADC_MAX187(void)
{
staticuinttemp,temp1;
PORTB=~(1sck);
PORTB=~(1ss);
delay_nus(10);//延時(shí)10uS
while(!PORTB(1miso));
SPDR=0x00;
while(!SPSR(1SPIF));
PORTB=~(1sck);
temp=SPDR;
temp=(uint)temp8;
SPSR=0x00;
while(!SPSR(1SPIF));
temp1=SPDR;
temp=(uint)((temp|temp1)0x7fff)>>3;
PORTB|=(1ss);
return(temp);
}
4、總結
本系統充分利用了AVR單片機的SPI模塊和MAX187是具有兼容SPI串行接口的A／D轉換器。本設計的串行ADC接口具有體積小、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。適用于儀器儀表、傳感器、工程檢測等方面。
參考文獻：
1、Atmelcorporation.ATmega16LDatasheet[DBOL].http://www.atmel.com
2、馬潮.ATmega128原理與開(kāi)發(fā)應用指南上.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004
3、http://www.ouravr.com
評論