基于AVR單片機SPI的串行ADC接口設計
摘 要：本文所進行是為提高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的接口設計，提供了軟件編程實現(xiàn)。
1、AVR單片機的SPI接口
SPI（Serial Peripheral Interface--- 串行外設接口）總線系統(tǒng)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行通信、數(shù)據(jù)交換，廣泛應用于各種工業(yè)控制領域。基于此標準，SPI系統(tǒng)可以直接于各個廠家生產(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：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
串行外設接口SPI允許ATmega16和外設之間進行高速的同步數(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進行設計，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。進入中斷例程后SPIF將自動清零。在發(fā)送當中對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)寄存器讀取當前接收到的字符。否則第一個字節(jié)將丟失。
在本設計中所使用的串行ADC芯片，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，可進行正常的轉(zhuǎn)換操作。A/D轉(zhuǎn)換的工作過程是：當為低電平時，在下降沿MAX187的T/H電路進入保持狀態(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)完脈沖后應將置為高電平。
編輯：admin 最后修改時間：2018-06-27
