基于ATmega16單片機SPI的串行ADC接口設計

1、AVR單片機的SPI接口

SPI（SerialPeripheralInterface---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、數據交換，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/從機輸出數據線（MISO）、主機輸出/從機輸入數據線（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脈沖將在數據線上傳輸主/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和外設之間進行高速的同步數據傳輸。ATmega16SPI的特點如下：全雙工，3線同步數據傳輸，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據放到相應的移位寄存器，主機在SCK引腳上產生時鐘脈沖以交換數據。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。主機通過將從機的SS拉高實現與從機的同步。


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置位時數據的LSB首先發(fā)送；否則數據的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決定數據是在SCK的起始沿采樣還是在SCK的結束沿采樣。通過對SPR1、SPR0進行設計，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。若此時寄存器 SPCR的SPIE和全局中斷使能位置位，SPI中斷即產生。進入中斷例程后SPIF將自動清零。在發(fā)送當中對SPI數據寄存器SPDR寫數據將置位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/寫寄存器，用來在寄存器文件SPI移位寄存器之間傳輸數據。寫寄存器將啟動數據傳輸，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束后才能對SPI數據寄存器執(zhí)行寫操作。而在接收數據時，需要在下一個字符移位過程結束之前通過訪問SPI數據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，選用了MAXIM公司MAX187。在AVR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。使用內參考時，在電源開啟后，經過20ms后參考引腳的4．7μF電容充電完成，可進行正常的轉換操作。A/D轉換的工作過程是：當為低電平時，在下降沿MAX187的T／H電路進入保持狀態(tài)，并開始轉換，8．5μs后DOUT輸出為高電平作為轉換完成標志。這時可在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A/D轉換后，檢測到DOUT有效（或者延時8.5μs以上），才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數據，SCLK至少為13個。發(fā)完脈沖后應將置為高電平。


3、串行ADC接口設計與實現

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。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范圍要外加電路進行電壓范圍的變換。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。如圖（4）所示，Vinp為模擬信號的輸入端，經過MAX187轉換后得到12的數據，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據進行讀取。



程序設計：

程序采用ATmega16編制，在ATmanAvr環(huán)境下調試通過。程序的基本思想是：定義PB7腳為時鐘SCLK，PB6為數據DOUT，PB4為片選。片選有效后延時8．5μs以上確保轉換完成，在時鐘SCLK的作用下從數據輸出端讀出轉換的數據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(1SPIF));

temp1=SPDR;

temp=(uint)((temp|temp1)0x7fff)>>3;

PORTB|=(1ss);

return(temp);

}

4、總結

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。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原理與開發(fā)應用指南上.北京：北京航空航天大學出版社.2004