基于AVR單片機(jī)SPI的串行ADC接口設(shè)計

1、基于AVR單片機(jī)SPI的串行ADC接口設(shè)計時間：2007-06-26 15:29:00 來源：21IC中國電子網(wǎng) 作者：湖北師范學(xué)院 唐重陳 劉海偉摘要：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(jī)的SPI與MAX187的接口設(shè)計，提供了軟件編程實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵字：SPI、AVR單片機(jī)、MAX187 1、AVR單片機(jī)的SPI接口 SPI（SerialPeripheralInterface-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?；诖藰?biāo)準(zhǔn)，SPI系統(tǒng)可以直接于各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)

2、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(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。在從機(jī)選擇線SS使能的前提下，主機(jī)的SCK脈沖將在數(shù)據(jù)線上傳輸主/從機(jī)的串行數(shù)據(jù)。主/從機(jī)的典型連接圖如圖（1）所示： 圖（1）主/從機(jī)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。ATmega16SPI的特點(diǎn)如下：全雙工，3線同步數(shù)據(jù)傳輸，主/從機(jī)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(jī)時具有雙速模式（CK/2）

3、。 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(jī)的SS引腳拉低，主機(jī)啟動一次通信過程。主機(jī)和從機(jī)將需要的數(shù)據(jù)放到相應(yīng)的移位寄存器，主機(jī)在SCK引腳上產(chǎn)生時鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機(jī)的數(shù)據(jù)從MOSI移出，從從機(jī)MISO移入。從機(jī)的數(shù)據(jù)從MISO移出，從從機(jī)MOSI移入。主機(jī)通過將從機(jī)的SS拉高實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的同步。 圖（2）SPI主機(jī)-從機(jī)的互連 下面將介紹SPI的幾個特殊寄存器： 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，就會引發(fā)SPI中斷。SPE置位將使能SPI，DORD置位時數(shù)

4、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(jī)模式，否則為從機(jī)。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(jī)的SCK速率。 1.2SPI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。 1.3SPI的數(shù)據(jù)寄存器SPDR SPDR數(shù)

5、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(jī)SPI主機(jī)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AD轉(zhuǎn)換芯片

6、，內(nèi)部含有采樣保持電路，單5V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為85s，具有片上4096V參考電壓，模擬量輸入范圍為0VBEF。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10A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20ms后參考引腳的47F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M

7、AX187的TH電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并開始轉(zhuǎn)換，85s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(jī)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8.5s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(shí)現(xiàn) MAX187電源需要加去耦合電容，常見的方法是用一個47F電容和一個01F電容并聯(lián)。為保證采樣精度，最好將MAX187與單片機(jī)分開供電。

8、4腳為參考端接一個47F的電容，這是使用內(nèi)部4096V參考電壓方式。輸入模擬信號的電壓范圍為04096V，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(jī)SPI的SCK、SS、MISO相接，在單片機(jī)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)

9、DOUT，PB4為片選。片選有效后延時85s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。 #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10uS while(!PORTB&(1miso); SPDR=0x00; while(!SPSR&(1SPIF); PORTB&=(1sck); temp=SPDR; temp=(uint)temp8; SPSR=0x00; while(!SPSR&(13; PORTB|=(1ss); return(temp); 4、總結(jié) 本系統(tǒng)充分利用了AVR單片機(jī)的SPI模塊和MAX187是具有兼容SPI串行接口的AD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(diǎn)。