A／D轉(zhuǎn)換器CS5550與單片機(jī)的接口程序設(shè)計(jì)

摘要：分析雙通道低成本A／D轉(zhuǎn)換器CS5550的接口特點(diǎn)，以ATmegal6單片機(jī)為例設(shè)計(jì)CS5550與單片機(jī)的接口電路。經(jīng)過(guò)對(duì)ATmegal6單片機(jī)SPI口的分析，詳細(xì)討論使用硬件SPI接口和軟件模擬SPI兩種方式的程序設(shè)計(jì)，并給出相應(yīng)的軟件流程圖。最后對(duì)CS5550的兩種接口方式進(jìn)行比較。
關(guān)鍵同：模數(shù)轉(zhuǎn)換器；CS5550；單片機(jī)；接口程序

    現(xiàn)代智能化儀器儀表中A／D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)是重要組成部分。串行MD轉(zhuǎn)換器的串口信號(hào)線數(shù)目較少，在數(shù)據(jù)采樣速率較低的系統(tǒng)中有利于降低硬件間連線的復(fù)雜度，節(jié)省單片機(jī)的接口資源。在CS5550的性能特點(diǎn)及其片上串行接口的基礎(chǔ)上，給出CS5550與單片機(jī)的接口程序設(shè)計(jì)方案。

1 CS5550的主要性能及接口特點(diǎn)
    CS5550是Cirrus Logic公司推出的一款雙通道低成本△-∑型A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成有2個(gè)△-∑A／D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)放大器、1個(gè)串行接口以及1個(gè)溫漂為25 ppm／℃的2．5 V參考電壓源。CS5550在兩個(gè)通道上都具有24位寄存器，其中通道1具有13位有效位，通道2具有10位有效位口。
    CS5550片上集成有1個(gè)雙向數(shù)字串行接口，包括(片選信號(hào))、SDI(數(shù)據(jù)輸入)、SDO(數(shù)據(jù)輸出)和SCLK(串行時(shí)鐘)4條控制線。該串口與標(biāo)準(zhǔn)SPI接口協(xié)議兼容，可與帶有SPI接口的單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。另外，CS5550還有一個(gè)中斷輸出引腳，可通過(guò)配置其屏蔽寄存器(Mask Register)來(lái)設(shè)定中斷，并可通過(guò)軟件修改配置寄存器中的“IMODE IINV”位來(lái)決定中斷的產(chǎn)生方式(高／低電平或上升／下降沿有效)。

2 單片機(jī)的SPI接口與CS5550連接
    SPI接口是由Motorola公司最先推出的，目前很多型號(hào)的單片機(jī)都集成有SPI接口，如ATMEL公司的ATmega8、PIC公司的PICl6F877、Analog Devices公司的ADuC812等。用戶可使用單片機(jī)所提供的SPI接口與CS5550直接連接。這里以ATmegal6單片機(jī)為例討論使用單片機(jī)的SPI接口實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)CS5550的操作。
2．1 ATmegal6的SPI接口及其與CS5550的連接
    ATmegal6單片機(jī)內(nèi)部的SPI接口可完成全雙工、3線同步數(shù)據(jù)傳輸。它支持主／從機(jī)操作模式，作為主機(jī)時(shí)具有倍速模式(CK／2)；具有寫(xiě)碰撞標(biāo)志檢測(cè)、傳輸結(jié)束中斷標(biāo)志、7種可編程的比特率，并可設(shè)置LSB或MSB首先發(fā)送。在實(shí)際使用該SPI接口時(shí)，需要將MOSI(主機(jī)輸出從機(jī)輸入)、MISO(主機(jī)輸入從機(jī)輸出)、SCK(串行時(shí)鐘)、(從機(jī)選擇)引腳依次與CS5550的SDI、SDO、SCLK、引腳相連，如圖1所示。

    ATmegal6單片機(jī)中與SPI接口相關(guān)的寄存器有3個(gè)： SPCR(SPI控制寄存器)、SPSR(SPI狀態(tài)寄存器)、SPDR(SPI數(shù)據(jù)寄存器)。其中，SPCR寄存器設(shè)置SPI接口的中斷、數(shù)據(jù)順序、主／從模式及串行時(shí)鐘的相關(guān)特性；而SPSR寄存器中包括有SPI中斷標(biāo)志位(SPIF)、寫(xiě)碰撞標(biāo)志位和倍速模式選擇位，SPSR中的SPIF位將在SPI接口串行數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)置“l(fā)”，若此時(shí)用戶已使能SPI接口中斷且全局中斷被打開(kāi)。則會(huì)產(chǎn)生SPI接口中斷。應(yīng)該指出的是，在SPI接口數(shù)據(jù)接收完成時(shí)該SPIF位不會(huì)被置“1”，即沒(méi)有接收結(jié)束標(biāo)志位。串行時(shí)鐘的產(chǎn)生由硬件自動(dòng)完成；每當(dāng)有新數(shù)據(jù)寫(xiě)入SPDR寄存器中，SPI接口會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生SCK信號(hào)將SPDR中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時(shí)將讀取的數(shù)據(jù)存入SPDR的緩沖寄存器中。
2．2軟件設(shè)計(jì)
    對(duì)CS5550的所有操作都是通過(guò)讀寫(xiě)ATmegal6單片機(jī)的內(nèi)部寄存器來(lái)完成的。在使用單片機(jī)的SPI接口之前，要對(duì)其進(jìn)行初始化。這里采用查詢方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，故將SPCR中的最高位SPIE置“0”，禁止中斷。使能SPI接口(SPE=1)。因CS5550的數(shù)據(jù)傳輸為MSB首先發(fā)送，故使DORD=O。將ATmegal6選擇為主機(jī)模式(MSTR=1)。選擇SPI工作模式0(CPOL=0，CPHA=0)。配置串行時(shí)鐘設(shè)置為單片機(jī)晶振頻率的1／16(SPRl=0，SPR0=1)。綜合以上對(duì)SPCR各位的分析，應(yīng)配置SPCR=Ox5l。另外還要對(duì)SPI接口相應(yīng)的引腳方向進(jìn)行配置：定義MOSI為輸出、MISO為輸入(SPI主機(jī)模式下由硬件自動(dòng)配置為輸入)，SCLK為輸出、為輸出，SPI接口初始化后就可以與CS5550通信。
    由于直接采用單片機(jī)的SPI接口讀寫(xiě)CS5550，字節(jié)中每一位的發(fā)送／接收均由硬件完成，這樣可簡(jiǎn)化控制和數(shù)據(jù)采集程序：向CS5550發(fā)送命令字節(jié)時(shí)只需將其直接寫(xiě)入SPDR寄存器即可；而讀取返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)只需讀取SPDR寄存器即可。為使SPI通信能夠可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，這里有兩個(gè)問(wèn)題需要注意：一個(gè)問(wèn)題是在向SPDR寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)之前，應(yīng)首先查詢SPSR寄存器中的SPIF位，以確保發(fā)送中的數(shù)據(jù)不會(huì)被新寫(xiě)入的數(shù)據(jù)所破壞。用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序時(shí)可以使用類(lèi)似的“while(!SPSR_SPIF)：”的形式等待數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束；另一個(gè)問(wèn)題是，由于ATmegal6單片機(jī)的SPI接口無(wú)接收結(jié)束標(biāo)志位，在讀取SPDR寄存器之前應(yīng)插入延時(shí)程序以確保讀回?cái)?shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。該程序流程如圖2所示。

3 使用軟件模擬SPI接口
    在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)所選用的單片機(jī)沒(méi)有集成SPI接口或是SPI接口被其他功能所占用而又仍然需要使用SPI協(xié)議與外圍器件通信的情況，這時(shí)就必須采用軟件模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)SPI通信。一般來(lái)說(shuō)，可以使用單片機(jī)的任何4個(gè)I／O接口與CS5550連接。但為便于與前一種方法(使用硬件SPI接口)進(jìn)行比較，這里仍采用圖1所示的電路連接方式。在編寫(xiě)SPI接口程序前，要對(duì)使用到的I／O端口進(jìn)行配置：PB5為輸出(MOSI)，PB6為輸入(MISO)，PB7為輸出(SCK)，PB4為輸出()。其中PB7端口初值為“0”，PB4端口初值為“l(fā)”。為了模擬SPI數(shù)據(jù)寄存器，這里定義3個(gè)unsigned char型變量SPI_transmit_buffer、SPI_receive_buffer和trans-mit_counter分別用來(lái)存放需要發(fā)送的數(shù)據(jù)、接收到的數(shù)據(jù)和已發(fā)送數(shù)據(jù)的位數(shù)。每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送接收必須嚴(yán)格按照CS5550數(shù)據(jù)手冊(cè)上的時(shí)序要求來(lái)編寫(xiě)，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。CS5550的讀寫(xiě)時(shí)序如圖3所示。

    從圖3及其數(shù)據(jù)手冊(cè)中的相關(guān)說(shuō)明可知。CS5550讀取SDI線上的命令發(fā)生在SCK的上升沿，而其會(huì)在SCK下降沿發(fā)生后20 ns(典型值)之內(nèi)將下一位數(shù)據(jù)發(fā)送到SDO線上。根據(jù)以上分析，可以得到圖4所示的SPI接口函數(shù)編寫(xiě)流程。

    若仍以實(shí)現(xiàn)CS5550單次轉(zhuǎn)換、單片機(jī)讀取其數(shù)據(jù)寄存器為例，則CS5550的采集函數(shù)編寫(xiě)流程圖與第3部分中的圖2相同，只需要利用這個(gè)軟件模擬的SPI接口函數(shù)替換前面流程中對(duì)SPDR寄存器的讀寫(xiě)即可。

4 硬件設(shè)計(jì)與軟件模擬SPI接口的比較
    從上述討論看出，硬件SPI接口的工作獨(dú)立于CPU內(nèi)核，這使得SPI數(shù)據(jù)的收發(fā)與CPU內(nèi)核運(yùn)算并行執(zhí)行，提高單片機(jī)的工作效率。由于數(shù)據(jù)的收發(fā)完全由硬件完成，軟件的編寫(xiě)不涉及具體收發(fā)細(xì)節(jié)，程序簡(jiǎn)單、速度快。而采用軟件模擬實(shí)現(xiàn)SPI接口的方法則具有端口定義靈活、使用方便的特點(diǎn)?？梢栽诓辉黾佑布杀镜那闆r下，給不含SPI接口的單片機(jī)增加SPI通信功能。但軟件模擬SPI需要占用CPU處理時(shí)間，故一般只在通信數(shù)據(jù)量不太大的情況下使用。

5 結(jié)束語(yǔ)
    模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)在智能化儀表的應(yīng)用廣泛，本文討論的CS5550與單片機(jī)的兩種接口方式具有普遍意義，對(duì)其他類(lèi)似的設(shè)計(jì)提供參考。目前，以上兩種方法均已被應(yīng)用到某基于CS5550的工業(yè)測(cè)溫儀表中，取得較好效果。