基于AVR單片機SPI的串行ADC接口設(shè)計
[導(dǎo)讀]本文所進(jìn)行是為提高ADC轉(zhuǎn)換的精度、加快工作速度的研究，主要介紹AVR單片機的SPI與MAX187的接口設(shè)計，提供了軟件編程實現(xiàn)。
摘 要：本文所進(jìn)行是為提高ADC轉(zhuǎn)換的精度、加快工作速度的研究，主要介紹AVR單片機的SPI與MAX187的接口設(shè)計，提供了軟件編程實現(xiàn)。
關(guān)鍵字：SPI、AVR單片機、MAX187
1、AVR單片機的SPI接口
SPI（Serial Peripheral Interface---串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。基于此標(biāo)準(zhǔn)，SPI系統(tǒng)可以直接于各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口。SPI接口通常包含有4根線：串行時鐘（SCK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）和低電平有效的從機選擇線SS。在從機選擇線SS使能的前提下，主機的SCK脈沖將在數(shù)據(jù)線上傳輸主/從機的串行數(shù)據(jù)。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(shè)接口SPI允許ATmega16和外設(shè)之間進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。ATmega16 SPI的特點如下：全雙工，3線同步數(shù)據(jù)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(jié)束，寫碰撞標(biāo)志檢測，可以從閑置模式喚醒，作為主機時具有雙速模式（CK/2）。
如圖（2）所示，系統(tǒng)包括兩個移位寄存器和一個主時鐘發(fā)生器。通過將需要的從機的SS引腳拉低，主機啟動一次通信過程。主機和從機將需要的數(shù)據(jù)放到相應(yīng)的移位寄存器，主機在SCK引腳上產(chǎn)生時鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機的數(shù)據(jù)從MOSI移出，從從機MISO移入。從機的數(shù)據(jù)從MISO移出，從從機MOSI移入。主機通過將從機的SS拉高實現(xiàn)與從機的同步。
圖（2）SPI 主機 - 從機的互連
下面將介紹SPI的幾個特殊寄存器：
1.1 SPI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，就會引發(fā)SPI 中斷。SPE 置位將使能 SPI，DORD 置位時數(shù)據(jù)的 LSB首先發(fā)送；否則數(shù)據(jù)的 MSB首先發(fā)送。MSTR置位時選擇主機模式，否則為從機。CPOL置位表示空閑 SCK 為高電平；否則空閑時 SCK為低電平。CPHA決定數(shù)據(jù)是在 SCK的起始沿采樣還是在 SCK 的結(jié)束沿采樣。通過對SPR1、SPR0進(jìn)行設(shè)計，確定主機的 SCK 速率。
1.2 SPI的狀態(tài)寄存器—SPSR
SPIF 為中斷標(biāo)志位，串行發(fā)送結(jié)束后，SPIF 置位。若此時寄存器 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將自動清零。在發(fā)送當(dāng)中對SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDR寫數(shù)據(jù)將置位WCOL，SPI2X置位后 SPI 的速度加倍。
1.3 SPI的數(shù)據(jù)寄存器—SPDR
SPDR 數(shù)據(jù)寄存器為讀/寫寄存器，用來在寄存器文件 SPI移位寄存器之間傳輸數(shù)據(jù)。寫寄存器將啟動數(shù)據(jù)傳輸，讀寄存器將讀取寄存器的接收緩沖器。SPI 系統(tǒng)的發(fā)送方向只有一個緩沖器，而在接收方向有兩個緩沖器。也就是說，在發(fā)送時一定要等到移位過程全部結(jié)束后才能對 SPI 數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行寫操作。而在接收數(shù)據(jù)時，需要在下一個字符移位過程結(jié)束之前通過訪問SPI 數(shù)據(jù)寄存器讀取當(dāng)前接收到的字符。否則第一個字節(jié)將丟失。
在本設(shè)計中所使用的串行ADC芯片，選用了MAXIM公司MAX187。在AVR單片機SPI主機的控制下，完成對MAX187轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀操作。
2、 MAX187的介紹
MAX187是美信公司推出的12位A／D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣／保持電路，單5 V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為8．5μs，具有片上4．096 V參考電壓，模擬量輸入范圍為0～VBEF。三線串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire總線。
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(zhuǎn)換為12位的數(shù)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。
完整的操作時序如圖（3）所示。使用內(nèi)參考時，在電源開啟后，經(jīng)過20 ms后參考引腳的4．7μF電容充電完成，可進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)換操作。A/D轉(zhuǎn)換的工作過程是：當(dāng)為低電平時，在下降沿MAX187的T／H電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并開始轉(zhuǎn)換，8．5μs后DOUT輸出為高電平作為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志。這時可在SCLK端輸入一串脈沖將結(jié)果從DOUT端移出，讀入單片機中處理。數(shù)據(jù)讀取完成后將置為高電平。要注意的是：在置為低電平啟動A/D轉(zhuǎn)換后，檢測到DOUT有效（或者延時8.5μs以上），才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數(shù)據(jù)，SCLK至少為13個。發(fā)完脈沖后應(yīng)將置為高電平。
圖（3）SPI/Microwire 串行接口時序圖 (CPOL = CPHA = 0)
3、 串行ADC接口設(shè)計與實現(xiàn)
MAX187電源需要加去耦合電容，常見的方法是用一個4．7μF電容和一個0．1μF電容并聯(lián)。為保證采樣精度，最好將MAX187與單片機分開供電。4腳為參考端接一個4．7μF的電容，這是使用內(nèi)部4．096 V參考電壓方式。輸入模擬信號的電壓范圍為0～4．096 V，如模擬輸入電壓不在這個范圍要外加電路進(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，要外加多路模擬開關(guān)。如圖（4）所示，Vinp為模擬信號的輸入端，經(jīng)過MAX187轉(zhuǎn)換后得到12的數(shù)據(jù)，通過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(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。
圖（4）MAX187的硬件接線圖
程序設(shè)計：
程序采用ATmega16編制，在ATmanAvr環(huán)境下調(diào)試通過。程序的基本思想是：定義PB7腳為時鐘SCLK，PB6為數(shù)據(jù)DOUT，PB4為片選。片選有效后延時8．5μs以上確保轉(zhuǎn)換完成，在時鐘SCLK的作用下從數(shù)據(jù)輸出端讀出轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后存入兩個無符號字符變量中，將這2個字符變量拼成一個16位無符號整形變量作用函數(shù)返回值返回，返回值的低12位有效。
#define ss 4 //PB4
#define mosi 5 //PB5
#define miso 6 //PB6
#define sck 7 //PB7
PORTB = 0x4f; DDRB = 0xb0;//對PB口的初始化
void spi_init(void)
{
SPSR = 0x0;
SPCR = 0x50;
}
unsigned int ADC_MAX187(void)
{
static uint temp,temp1;
PORTB&=~(1<<sck);
PORTB&=~(1<<ss);
delay_nus(10); //延時10uS
while(!PORTB&(1<<miso));
SPDR=0x00;
while(!SPSR&(1<<SPIF));
PORTB&=~(1<<sck);
temp=SPDR;
temp=(uint)temp<<8;
SPSR=0x00;
while(!SPSR&(1<<SPIF));
temp1=SPDR;
temp=(uint)((temp|temp1)&0x7fff)>>3;
PORTB|=(1<<ss);
return (temp);
}
4、 總結(jié)
本系統(tǒng)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(zhuǎn)換器。本設(shè)計的串行ADC接口具有體積小、速度快、精度高等優(yōu)點。適用于儀器儀表、傳感器、工程檢測等方面。
參考文獻(xiàn)：
1、Atmel corporation.ATmega16L Datasheet [DBOL]. http://www.atmel.com
2、馬潮. ATmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南上.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004
3、http://www.ouravr.com
關(guān)鍵字：SPI、AVR單片機、MAX187
1、AVR單片機的SPI接口
SPI（Serial Peripheral Interface---串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域。基于此標(biāo)準(zhǔn)，SPI系統(tǒng)可以直接于各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口。SPI接口通常包含有4根線：串行時鐘（SCK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）和低電平有效的從機選擇線SS。在從機選擇線SS使能的前提下，主機的SCK脈沖將在數(shù)據(jù)線上傳輸主/從機的串行數(shù)據(jù)。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(shè)接口SPI允許ATmega16和外設(shè)之間進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。ATmega16 SPI的特點如下：全雙工，3線同步數(shù)據(jù)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(jié)束，寫碰撞標(biāo)志檢測，可以從閑置模式喚醒，作為主機時具有雙速模式（CK/2）。
如圖（2）所示，系統(tǒng)包括兩個移位寄存器和一個主時鐘發(fā)生器。通過將需要的從機的SS引腳拉低，主機啟動一次通信過程。主機和從機將需要的數(shù)據(jù)放到相應(yīng)的移位寄存器，主機在SCK引腳上產(chǎn)生時鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機的數(shù)據(jù)從MOSI移出，從從機MISO移入。從機的數(shù)據(jù)從MISO移出，從從機MOSI移入。主機通過將從機的SS拉高實現(xiàn)與從機的同步。
圖（2）SPI 主機 - 從機的互連
下面將介紹SPI的幾個特殊寄存器：
1.1 SPI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，就會引發(fā)SPI 中斷。SPE 置位將使能 SPI，DORD 置位時數(shù)據(jù)的 LSB首先發(fā)送；否則數(shù)據(jù)的 MSB首先發(fā)送。MSTR置位時選擇主機模式，否則為從機。CPOL置位表示空閑 SCK 為高電平；否則空閑時 SCK為低電平。CPHA決定數(shù)據(jù)是在 SCK的起始沿采樣還是在 SCK 的結(jié)束沿采樣。通過對SPR1、SPR0進(jìn)行設(shè)計，確定主機的 SCK 速率。
1.2 SPI的狀態(tài)寄存器—SPSR
SPIF 為中斷標(biāo)志位，串行發(fā)送結(jié)束后，SPIF 置位。若此時寄存器 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將自動清零。在發(fā)送當(dāng)中對SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDR寫數(shù)據(jù)將置位WCOL，SPI2X置位后 SPI 的速度加倍。
1.3 SPI的數(shù)據(jù)寄存器—SPDR
SPDR 數(shù)據(jù)寄存器為讀/寫寄存器，用來在寄存器文件 SPI移位寄存器之間傳輸數(shù)據(jù)。寫寄存器將啟動數(shù)據(jù)傳輸，讀寄存器將讀取寄存器的接收緩沖器。SPI 系統(tǒng)的發(fā)送方向只有一個緩沖器，而在接收方向有兩個緩沖器。也就是說，在發(fā)送時一定要等到移位過程全部結(jié)束后才能對 SPI 數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行寫操作。而在接收數(shù)據(jù)時，需要在下一個字符移位過程結(jié)束之前通過訪問SPI 數(shù)據(jù)寄存器讀取當(dāng)前接收到的字符。否則第一個字節(jié)將丟失。
在本設(shè)計中所使用的串行ADC芯片，選用了MAXIM公司MAX187。在AVR單片機SPI主機的控制下，完成對MAX187轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀操作。
2、 MAX187的介紹
MAX187是美信公司推出的12位A／D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣／保持電路，單5 V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為8．5μs，具有片上4．096 V參考電壓，模擬量輸入范圍為0～VBEF。三線串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire總線。
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(zhuǎn)換為12位的數(shù)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。
完整的操作時序如圖（3）所示。使用內(nèi)參考時，在電源開啟后，經(jīng)過20 ms后參考引腳的4．7μF電容充電完成，可進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)換操作。A/D轉(zhuǎn)換的工作過程是：當(dāng)為低電平時，在下降沿MAX187的T／H電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并開始轉(zhuǎn)換，8．5μs后DOUT輸出為高電平作為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志。這時可在SCLK端輸入一串脈沖將結(jié)果從DOUT端移出，讀入單片機中處理。數(shù)據(jù)讀取完成后將置為高電平。要注意的是：在置為低電平啟動A/D轉(zhuǎn)換后，檢測到DOUT有效（或者延時8.5μs以上），才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數(shù)據(jù)，SCLK至少為13個。發(fā)完脈沖后應(yīng)將置為高電平。
圖（3）SPI/Microwire 串行接口時序圖 (CPOL = CPHA = 0)
3、 串行ADC接口設(shè)計與實現(xiàn)
MAX187電源需要加去耦合電容，常見的方法是用一個4．7μF電容和一個0．1μF電容并聯(lián)。為保證采樣精度，最好將MAX187與單片機分開供電。4腳為參考端接一個4．7μF的電容，這是使用內(nèi)部4．096 V參考電壓方式。輸入模擬信號的電壓范圍為0～4．096 V，如模擬輸入電壓不在這個范圍要外加電路進(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，要外加多路模擬開關(guān)。如圖（4）所示，Vinp為模擬信號的輸入端，經(jīng)過MAX187轉(zhuǎn)換后得到12的數(shù)據(jù)，通過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(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。
圖（4）MAX187的硬件接線圖
程序設(shè)計：
程序采用ATmega16編制，在ATmanAvr環(huán)境下調(diào)試通過。程序的基本思想是：定義PB7腳為時鐘SCLK，PB6為數(shù)據(jù)DOUT，PB4為片選。片選有效后延時8．5μs以上確保轉(zhuǎn)換完成，在時鐘SCLK的作用下從數(shù)據(jù)輸出端讀出轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后存入兩個無符號字符變量中，將這2個字符變量拼成一個16位無符號整形變量作用函數(shù)返回值返回，返回值的低12位有效。
#define ss 4 //PB4
#define mosi 5 //PB5
#define miso 6 //PB6
#define sck 7 //PB7
PORTB = 0x4f; DDRB = 0xb0;//對PB口的初始化
void spi_init(void)
{
SPSR = 0x0;
SPCR = 0x50;
}
unsigned int ADC_MAX187(void)
{
static uint temp,temp1;
PORTB&=~(1<<sck);
PORTB&=~(1<<ss);
delay_nus(10); //延時10uS
while(!PORTB&(1<<miso));
SPDR=0x00;
while(!SPSR&(1<<SPIF));
PORTB&=~(1<<sck);
temp=SPDR;
temp=(uint)temp<<8;
SPSR=0x00;
while(!SPSR&(1<<SPIF));
temp1=SPDR;
temp=(uint)((temp|temp1)&0x7fff)>>3;
PORTB|=(1<<ss);
return (temp);
}
4、 總結(jié)
本系統(tǒng)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(zhuǎn)換器。本設(shè)計的串行ADC接口具有體積小、速度快、精度高等優(yōu)點。適用于儀器儀表、傳感器、工程檢測等方面。
參考文獻(xiàn)：
1、Atmel corporation.ATmega16L Datasheet [DBOL]. http://www.atmel.com
2、馬潮. ATmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南上.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004
3、http://www.ouravr.com
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