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(jì)，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（Serial Peripheral Interface---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(gè)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(shí)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。ATmega16 SPI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(cè)，可以從閑置模式喚醒，作為主機(jī)時(shí)具有雙速模式（CK/2）。

    如圖（2）所示，系統(tǒng)包括兩個(gè)移位寄存器和一個(gè)主時(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)特殊寄存器：

1.1   SPI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(huì)引發(fā)SPI 中斷。SPE 置位將使能 SPI，DORD 置位時(shí)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(shí)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(shí) 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(duì)SPR1、SPR0進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定主機(jī)的 SCK 速率。

1.2 SPI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(shí)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(dòng)清零。在發(fā)送當(dāng)中對(duì)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。

1.3   SPI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(dòng)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(gè)緩沖器，而在接收方向有兩個(gè)緩沖器。也就是說，在發(fā)送時(shí)一定要等到移位過程全部結(jié)束后才能對(duì) SPI 數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行寫操作。而在接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要在下一個(gè)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(gè)字節(jié)將丟失。

    在本設(shè)計(jì)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(duì)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5 V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為8．5μs，具有片上4．096 V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(hào)轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)，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(shí)的電流消耗降到10μA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(shí)序如圖（3）所示。使用內(nèi)參考時(shí)，在電源開啟后，經(jīng)過20 ms后參考引腳的4．7μF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(shí)，在下降沿MAX187的T／H電路進(jìn)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(shí)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(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，檢測(cè)到DOUT有效（或者延時(shí)8.5μs以上），才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數(shù)據(jù)，SCLK至少為13個(gè)。發(fā)完脈沖后應(yīng)將置為高電平。


圖（3）SPI/Microwire 串行接口時(shí)序圖 (CPOL = CPHA = 0)

3、  串行ADC接口設(shè)計(jì)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(gè)4．7μF電容和一個(gè)0．1μF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。4腳為參考端接一個(gè)4．7μF的電容，這是使用內(nèi)部4．096 V參考電壓方式。輸入模擬信號(hào)的電壓范圍為0～4．096 V，如模擬輸入電壓不在這個(gè)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(hào)，要外加多路模擬開關(guān)。如圖（4）所示，Vinp為模擬信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。


圖（4）MAX187的硬件接線圖

程序設(shè)計(jì)：

     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(shí)鐘SCLK，PB6為數(shù)據(jù)DOUT，PB4為片選。片選有效后延時(shí)8．5μs以上確保轉(zhuǎn)換完成，在時(shí)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(gè)無符號(hào)字符變量中，將這2個(gè)字符變量拼成一個(gè)16位無符號(hào)整形變量作用函數(shù)返回值返回，返回值的低12位有效。

#define   ss     4    //PB4

#define   mosi   5    //PB5

#define   miso   6    //PB6

#define   sck    7    //PB7

PORTB = 0x4f; DDRB = 0xb0;//對(duì)PB口的初始化

void spi_init(void)

{

       SPSR = 0x0;

       SPCR = 0x50;

}

unsigned int  ADC_MAX187(void)

{

 static uint temp,temp1;

 PORTB&=~(1<<sck);

 PORTB&=~(1<<ss);

 delay_nus(10);      //延時(shí)10uS

 while(!PORTB&(1<<miso));

 SPDR=0x00;

 while(!SPSR&(1<<SPIF));

 PORTB&=~(1<<sck);

 temp=SPDR;

 temp=(uint)temp<<8;

 SPSR=0x00;

 while(!SPSR&(1<<SPIF));

 temp1=SPDR;

 temp=(uint)((temp|temp1)&0x7fff)>>3;

PORTB|=(1<<ss);

 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A／D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)的串行ADC接口具有體積小、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。適用于儀器儀表、傳感器、工程檢測(cè)等方面。

參考文獻(xiàn)：

1、Atmel corporation.ATmega16L Datasheet [DBOL]. http://www.atmel.com
2、馬潮. ATmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南上.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004
3、http://www.ouravr.com