1、A/D轉(zhuǎn)換器CS5550與單片機(jī)的接口程序設(shè)計(jì) 辛?xí)詫?，吳子旭（沈?yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110178） 摘要:分析雙通道低成本A/D轉(zhuǎn)換器CS5550的接口特點(diǎn)，以 ATmega16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)ATmega16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)鍵詞 :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A/D轉(zhuǎn)換器的串口信號(hào)線(xiàn)數(shù)目較少，在數(shù)據(jù)采樣速率較低的系統(tǒng)中有利于

2、降低硬件間連線(xiàn)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)1CS5550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 2。CS5550片上集成有1個(gè)雙向數(shù)字串行接口，包括CS（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

3、制線(xiàn)。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INT，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ATmega83、PIC公司的PIC16F8774、Analog Devices公司的ADuC8125等。用戶(hù)可使用單片機(jī)所提供的SPI接口與CS5550直接連

4、接。這里以ATmega16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 ATmega16的SPI接口及其與CS5550的連接 ATmega16單片機(jī)內(nèi)部的SPI接口可完成全雙工、3線(xiàn)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6。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）、SS（從機(jī)選擇）引腳依次與CS5550的SDI、SDO、SCLK、CS引腳相連，如圖1所示。 ATmega16單

5、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“1”，若此時(shí)用戶(hù)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7。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

6、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) ATmega16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(xún)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=0。將ATmega16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（SPR1=0，SPR0=1）。綜合以上對(duì)S

7、PCR各位的分析，應(yīng)配置 SPCR=0 x51。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、SS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(xún)SPSR寄存器中的SPI

8、F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ATmega16 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8。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

9、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（SS）。其中PB7端口初值為“0”，PB4端口初值為“1”。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transmit_ 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

10、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(xiàn)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20ns（典型值）之內(nèi)將下一位數(shù)據(jù)發(fā)送到SDO線(xiàn)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

11、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)。可以在不增加硬件成本的情況下，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。 參考文獻(xiàn)： 1Ci

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