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(shè)計，提供了軟件編程實現(xiàn)。

關(guān)鍵字：SPI、AVR單片機、MAX187

1、AVR單片機的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。基于此標(biāo)準(zhǔn)，SPI系統(tǒng)可以直接于各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)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(shè)接口SPI允許ATmega16和外設(shè)之間進行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。ATmega16SPI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(biāo)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(yīng)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：

1.1SPI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)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(shè)計，確定主機的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)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5V操作電源，轉(zhuǎn)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(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20ms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(dāng)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(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(yīng)將置為高電平。

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(shè)計，提供了軟件編程實現(xiàn)。

關(guān)鍵字：SPI、AVR單片機、MAX187

1、AVR單片機的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)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(shè)接口SPI允許ATmega16和外設(shè)之間進行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。ATmega16SPI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(biāo)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(yīng)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：

1.1SPI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)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(shè)計，確定主機的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)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5V操作電源，轉(zhuǎn)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(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20ms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(dāng)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(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(yīng)將置為高電平。