SPI與模擬量轉(zhuǎn)換課件

第十章SPI與模擬量轉(zhuǎn)換主要內(nèi)容SPI的基本工作原理GP32的SPI模塊編程基礎(chǔ)A/D和D/A轉(zhuǎn)換的基本問(wèn)題MC908GP32內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊GP32MCUA/D轉(zhuǎn)換編程實(shí)例*利用SPI進(jìn)行高位擴(kuò)A/D展接口*利用SPI進(jìn)行高位擴(kuò)D/A展接口*擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換*常用傳感器及采樣電路簡(jiǎn)介

《嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐》10.1SPI的基本工作原理10.1.1SPI的主要特性

①全雙工。 ②主、從工作方式。 ③發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)寄存器相互獨(dú)立從而實(shí)現(xiàn)雙緩存操作。 ④主機(jī)可以設(shè)定4種工作頻率(最大可達(dá)總線頻率的二分之一)。 ⑤從機(jī)最大工作頻率等于總線頻率。 ⑥發(fā)送結(jié)束、接收結(jié)束、工作方式錯(cuò)誤和溢出錯(cuò)誤四種中斷標(biāo)志。 ⑦一個(gè)主控MCU和幾個(gè)從控MCU相互連接。 ⑧幾個(gè)MCU相互連接構(gòu)成一個(gè)多主機(jī)系統(tǒng)。 ⑨一個(gè)主控MCU和一個(gè)或多個(gè)從屬外設(shè)相互連接。10.1.2SPI的數(shù)據(jù)傳輸

利用SPI進(jìn)行MCU之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，主機(jī)的程序控制著數(shù)據(jù)傳輸，從機(jī)的程序配合主機(jī)工作，完成傳輸過(guò)程。圖10-1是SPI的主-從連接示意圖。具體工作過(guò)程:

從主機(jī)CPU發(fā)出啟動(dòng)傳輸信號(hào)開(kāi)始，此時(shí)要傳送的數(shù)據(jù)裝入8位移位寄存器，同時(shí)產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從SPSCK引腳依次送出;在SPSCK信號(hào)的控制下，主機(jī)中8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)依次從MOSI引腳送出，到從機(jī)的MOSI引腳送入它的8位移位寄存器;在此過(guò)程中，從機(jī)的數(shù)據(jù)也通過(guò)MISO引腳到主機(jī)中。圖10-1SPI全雙工主-從連接

移位寄存器移位寄存器MISOMISO主MCUMOSI

MOSI波特率發(fā)生器從MCUSPSCKSPSCK10.1.3SPI模塊的時(shí)序圖10-3CPHA=0，CPOL=1時(shí)的數(shù)據(jù)/時(shí)鐘時(shí)序圖

SPSCK周期CPOL=1MOSIFROMMASTERMISOFROMSLAVE信號(hào)捕捉點(diǎn)10.1.3SPI模塊的時(shí)序圖10-4CPHA=1，CPOL=0時(shí)的數(shù)據(jù)/時(shí)鐘時(shí)序圖SPSCK周期CPOL=0MOSIFROMMASTERMISOFROMSLAVE信號(hào)捕捉點(diǎn)10.1.3SPI模塊的時(shí)序圖10-5CPHA=1，CPOL=1時(shí)的數(shù)據(jù)/時(shí)鐘時(shí)序圖

SPSCK周期CPOL=1MOSIFROMASTERMISOFROMSLAVE信號(hào)捕捉點(diǎn)10.2.2SPI模塊的寄存器

SPI模塊有3個(gè)寄存器:數(shù)據(jù)寄存器SPDR,控制寄存器SPCR,狀態(tài)和控制寄存器SPSCR。（1）數(shù)據(jù)寄存器SPDR（SPIDataRegister）

SPDR由兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)寄存器組成:只能寫入的發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和只能讀出的接收數(shù)據(jù)寄存器，它們共用一個(gè)地址$0012。寫入時(shí)，為要發(fā)送的8位數(shù)據(jù)，記為：T7～T0；讀出時(shí)，為接收的8位數(shù)據(jù)，記為：R7～R0。（2）控制寄存器SPCR（SPIControlRegister）

SPCR復(fù)位時(shí)寫一次，以后不再對(duì)其寫入，不再更改對(duì)SPI的設(shè)置,地址是$0010，各位定義：SPI接收中斷允許位

DMA選擇位

SPI發(fā)送中斷允許位

SPI允許位

SPI線或模式位

時(shí)鐘相位位

時(shí)鐘極性選擇位

SPI主機(jī)位

數(shù)據(jù)位D7D6D5D4D3D2D1D0定義SPRIEDMASSPMSTRCPOLCPHASPWOMSPESPTIE復(fù)位001010003．SPI狀態(tài)和控制寄存器SPSCR(SPIStatusandControlRegister)

SPSCR的地址：$0011，定義為：SPI的波特率=CGMOUT/(2xBD)。上式中：CGMOUT為時(shí)鐘產(chǎn)生模塊CGM的基準(zhǔn)時(shí)鐘輸出。BD是分頻系數(shù)，由SPR1、SPR0位決定：SPR1、SPR0=00011011BD=2832128SPI接收器滿標(biāo)志位

錯(cuò)誤中斷允許位

SPI波特率選擇位

模式錯(cuò)誤標(biāo)志允許位

SPI發(fā)送器空標(biāo)志位

模式錯(cuò)誤標(biāo)志位

溢出標(biāo)志位數(shù)據(jù)位D7D6D5D4D3D2D1D0定義SPRFERRIEOVRFMODFSPTEMODFENSPR1SPR0復(fù)位0000100010.3A/D和D/A轉(zhuǎn)換的基本問(wèn)題1A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換模塊（AnalogToDigitalConvertModule）,即模數(shù)轉(zhuǎn)換,是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的基本問(wèn)題:（1）采樣精度數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量,即采樣位數(shù)。（2）采樣速率完成一次A/D采樣所要花費(fèi)的時(shí)間。（3）濾波對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選去掉誤差較大的毛刺。（4）物理量回歸把A/D采樣值與實(shí)際物理量對(duì)應(yīng)起來(lái)。

2D/A轉(zhuǎn)換（1）D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度有兩種衡量方法

分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可達(dá)到的精度。其定義，電路所能分辨的最小輸出電壓VLSB(輸入的n位數(shù)字代碼最低有效位LSB為1，其余都為0)與最大輸出電壓Vm(此時(shí)輸入數(shù)字代碼所有各位全為1)之比。轉(zhuǎn)換誤差：D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際上能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差可用輸出電壓滿度值的百分?jǐn)?shù)表示，也可以用LSB的倍數(shù)來(lái)表示。

（2）D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度有兩種衡量方法建立時(shí)間tset是在輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時(shí)，輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值(例如取1/2LSB或滿度值的0.01%)所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換速率SR是在大信號(hào)工作時(shí)，即輸入數(shù)字量的各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)?時(shí)，輸出電壓uo的變化率。D/A轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間應(yīng)包括建立時(shí)間tset和輸出電壓uo的上升或下降時(shí)間，即最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為：TTRmax=tset+Vomax/SR上式中Vomax是輸出模擬電壓的最大值。

10.4.1GP32A/D轉(zhuǎn)換模塊寄存器2．A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器ADR(Analog-to-DigitalDataRegister)

ADR存放A/D轉(zhuǎn)換的8位結(jié)果，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束更新該寄存器。編程從該寄存器讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。該寄存器地址為：$003D，為只讀寄存器，復(fù)位時(shí)為$00。10.4.1GP32A/D轉(zhuǎn)換模塊寄存器3．A/D轉(zhuǎn)換輸入時(shí)鐘寄存器ADCLK(Analog-to-DigitalInputClockRegister)

該寄存器決定A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘頻率來(lái)源、分頻系數(shù)值，芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器要求ADC時(shí)鐘頻率為1MHz左右。ADCLK的地址是：$003E.定義為：

ADC時(shí)鐘分頻系數(shù)選擇位

ADC輸入時(shí)鐘源選擇位

未用

數(shù)據(jù)位D7D6D5D4D3D2D1D0定義ADIV2ADIV1ADIV0ADICLK----復(fù)位0001111110.4.2A/D轉(zhuǎn)換模塊的基本編程方法（1）A/D轉(zhuǎn)換初始化

對(duì)ADCLK寫入控制字節(jié)，決定時(shí)鐘輸入源是內(nèi)部總線還是外部晶振，決定分頻系數(shù)等。

（2）啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

對(duì)ADSCR寫入控制字節(jié)，選取要轉(zhuǎn)換的通道、決定轉(zhuǎn)換結(jié)束數(shù)據(jù)獲取的方式、設(shè)置是連續(xù)轉(zhuǎn)換還是一次轉(zhuǎn)換等。

（3）獲A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

若是中斷方式，在A/D中斷程序中取得，若是查詢方式，通過(guò)ADSCR的第7位(COCO位)取得，當(dāng)COCO=1時(shí)可從ADR中取數(shù)。

10.5.1A/D轉(zhuǎn)換08C語(yǔ)言編程實(shí)例（1）A/D轉(zhuǎn)換有關(guān)C語(yǔ)言子函數(shù)（1）A/D轉(zhuǎn)換有關(guān)C語(yǔ)言子函數(shù)（1）A/D轉(zhuǎn)換有關(guān)C語(yǔ)言子函數(shù)10.5.2A/D轉(zhuǎn)換匯編語(yǔ)言編程實(shí)例（1）A/D轉(zhuǎn)換有關(guān)子程序（2）A/D轉(zhuǎn)換測(cè)試程序匯編主程序*10.6高位A/D轉(zhuǎn)換接口10.6.1A/D芯片TCL2543概述1．TLC2543的引腳說(shuō)明圖10-8TLC2543的封裝管腳

(3)轉(zhuǎn)換過(guò)程

上電后，片選CS必須從高到低，才能開(kāi)始一次工作周期，此時(shí)EOC為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置0，輸出數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容是隨機(jī)的。開(kāi)始時(shí),片選CS為高,I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止,DATAOUT呈高阻態(tài)，EOC為高。使CS變低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脫離高阻態(tài)。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從I/OCLOCK端依次加入，控制字從DATAINPUT一位一位地在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)被送入TLC2543(高位先送入)，同時(shí)上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第4個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，通道號(hào)也已收到，因此，此時(shí)TLC2543開(kāi)始對(duì)選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，并保持到第12個(gè)時(shí)鐘的下降沿。在第12個(gè)時(shí)鐘下降沿，EOC變低，開(kāi)始對(duì)本次采樣的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間約需10μs,轉(zhuǎn)換完成EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個(gè)工作周期輸出。此后，可以進(jìn)行新的工作周期。3.TLC2543與MCU的接口方法

TLC2543與微處理器芯片的接口部分有五個(gè)引腳，分別是:時(shí)鐘輸入(I/OCLOCK)、串行控制字輸入(DATAINPUT)、片選輸入(CS)、A/D轉(zhuǎn)換串行數(shù)據(jù)輸出(DATAOUTPUT)、轉(zhuǎn)換結(jié)束電平輸出(EOC)。經(jīng)分析TLC2543的工作時(shí)序，可以通過(guò)軟件估計(jì)轉(zhuǎn)換結(jié)束，免去EOC接線。TLC2543與具有SPI或相同接口能力的MCU可以直接連接，對(duì)于沒(méi)有SPI接口的MCU可以通過(guò)軟件編程合成SPI操作。10.6.2SPI模塊與TLC2543的接口擴(kuò)展1．?dāng)U展電路設(shè)計(jì)MC68HC908GP32PTC0MISOMOSISPSCKPTC1PTC2TLC2543(第0片)AIN0CS∶DATAOUT∶DATAINPUT∶I/OCLOCKAIN10模擬量輸入∶∶∶TLC2543(第1片)AIN0CS∶DATAOUT∶DATAINPUT∶I/OCLOCKAIN10∶∶∶TLC2543(第2片)AIN0CS∶DATAOUT∶DATAINPUT∶I/OCLOCKAIN10∶∶∶圖10-7基于SPI的A/D轉(zhuǎn)換擴(kuò)展電路10.6.2SPI模塊與TLC2543的接口擴(kuò)展2．編程方法

基于上述電路的A/D采集子程序

3.應(yīng)用舉例

利用上述子程序?qū)崿F(xiàn)33路A/D數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行平均值濾波。每一路取16次求平均。*10.7擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換10.7.1D/A芯片TLV5608概述1.TLV5608的引腳說(shuō)明

TLV5608有20根引腳，分布參見(jiàn)圖10-8。圖10-8TLV5608的封裝管腳

2．TLV5608的控制寄存器(1)控制寄存器0(CTRL0)PD－低功耗驅(qū)動(dòng)：PD＝0時(shí)，正常模式；PD＝1時(shí)，低功耗。DO－數(shù)字輸出使能：DO＝1時(shí)，DOUT引腳輸出傳送的數(shù)據(jù)。IM－輸入模式：IM＝0時(shí)，直接輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)；IM＝1時(shí)，兩次不足后輸出。D11……D5D4D3D2D1D0x……xPDDOxxIM2．TLV5608的控制寄存器(2)控制寄存器1(CTRL1)PXY＝1時(shí)，DACXY低功耗；SXY＝1時(shí)，DACXY快速傳輸；SXY＝1時(shí)，DACXY低速傳輸。D11…D8D7D6D5D4D3D2D1D0x…xPGHPEFPCDPABSGHSEFSCDSAB3．TLV5608工作原理

TLV5608的16位數(shù)據(jù)由兩部分組成：通道控制位(D15～D12)和數(shù)據(jù)位(D11～D0)。如下所示。通道控制位(D15～D12即A3～A0)，決定數(shù)據(jù)輸出到哪個(gè)通道。當(dāng)A3～A0＝0x0000～0x0111時(shí)對(duì)應(yīng)通道DACA～DACH；當(dāng)A3～A0＝0x1000選擇寄存器CTRL0；當(dāng)A3～A0＝0x1001選擇寄存器CTRL1，其他取值這里不作介紹。

在μCMode(MODE接高電平)下傳送數(shù)據(jù)時(shí)，首先，F(xiàn)S引腳打高電平，把要傳送的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)線上；然后，給FS引腳低電平，F(xiàn)S的下降沿開(kāi)始，在SCLK的每個(gè)下降沿使數(shù)據(jù)一位接一位的移入內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器(從高位開(kāi)始)。在傳送了16位數(shù)據(jù)后或者FS的上升沿到達(dá)后，移位寄存器的內(nèi)容送至DAC鎖存器。D15D14D13D12D11……D2D1D0