AD转换器CS5550与单片机的接口程序设计

1、A/D转换器CS5550与单片机的接口程序设计 辛晓宁，吴子旭（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110178） 摘要:分析双通道低成本A/D转换器CS5550的接口特点，以 ATmega16单片机为例设计CS5550与单片机的接口电路。经过对ATmega16单片机SPI口的分析，详细讨论使用硬件SPI接口和软件模拟SPI两种方式的程序设计，并给出相应的软件流程图。最后对CS5550的两种接口方式进行比较。 关键词 :模数转换器；CS5550；单片机；接口程序 现代智能化仪器仪表中A/D转换器和单片机是重要组成部分。串行A/D转换器的串口信号线数目较少，在数据采样速率较低的系统中有利于

2、降低硬件间连线的复杂度，节省单片机的接口资源。在CS5550的性能特点及其片上串行接口的基础上，给出CS5550与单片机的接口程序设计方案。1 CS5550的主要性能及接口特点1CS5550是Cirrus Logic公司推出的一款双通道低成本-型A/D转换器，内部集成有2个- A/D转换器、2个放大器、1个串行接口以及1个温漂为25 ppm/的2.5 V参考电压源。CS5550在两个通道上都具有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个双向数字串行接口，包括CS（片选信号）、SDI（数据输入）、SDO（数据输出）和SCLK（串行时钟）4条控

3、制线。该串口与标准SPI接口协议兼容，可与带有SPI接口的单片机传输数据。另外，CS5550还有一个中断输出引脚INT，可通过配置其屏蔽寄存器（Mask Register）来设定中断，并可通过软件修改配置寄存器中的“IMODE IINV”位来决定中断的产生方式（高/低电平或上升/下降沿有效）。2单片机的SPI接口与CS5550连接 SPI接口是由Motorola公司最先推出的，目前很多型号的单片机都集成有 SPI接口，如ATMEL公司的ATmega83、PIC公司的PIC16F8774、Analog Devices公司的ADuC8125等。用户可使用单片机所提供的SPI接口与CS5550直接连

4、接。这里以ATmega16单片机为例讨论使用单片机的SPI接口实现读写CS5550的操作。 2.1 ATmega16的SPI接口及其与CS5550的连接 ATmega16单片机内部的SPI接口可完成全双工、3线同步数据传输。它支持主/从机操作模式，作为主机时具有倍速模式（CK/2）；具有写碰撞标志检测、传输结束中断标志、7种可编程的比特率，并可设置LSB或MSB首先发送6。在实际使用该SPI接口时，需要将MOSI（主机输出从机输入）、MISO（主机输入从机输出）、SCK（串行时钟）、SS（从机选择）引脚依次与CS5550的SDI、SDO、SCLK、CS引脚相连，如图1所示。 ATmega16单

5、片机中与SPI接口相关的寄存器有3个：SPCR（SPI控制寄存器）、SPSR（SPI状态寄存器）、SPDR（SPI 数据寄存器）。其中，SPCR寄存器设置SPI接口的中断、数据顺序、主/从模式及串行时钟的相关特性；而SPSR寄存器中包 括有SPI中断标志位（SPIF）、写碰撞标志位和倍速模式选择位，SPSR中的SPIF位将在SPI接口串行数据发送完成时置“1”，若此时用户已使能SPI接口中断且全局中断被打开，则会产生SPI接口中断。应该指出的是，在SPI接口数据接收完成时该SPIF位不会被置“1”，即没有接收结束标志位7。串行时钟的产生由硬件自动完成：每当有新数据写入SPDR寄存器中，SPI接

6、口会自动产生SCK信号将SPDR中的数据发送出去，同时将读取的数据存入SPDR的缓冲寄存器中。 2.2软件设计 对CS5550的所有操作都是通过读写 ATmega16单片机的内部寄存器来完成的。在使用单片机的SPI接口之前，要对其进行初始化。这里采用查询方式来发送数据，故将SPCR中的最高位SPIE置“0”，禁止中断。使能SPI接口（SPE=1）。 因CS5550的数据传输为MSB首先发送，故使DORD=0。将ATmega16选择为主机模式（MSTR=1）。选择SPI工作模式0（CPOL=0，CPHA=0）。配置串行时钟设置为单片机晶振频率的1/16（SPR1=0，SPR0=1）。综合以上对S

7、PCR各位的分析，应配置 SPCR=0 x51。另外还要对SPI接口相应的引脚方向进行配置：定义MOSI为输出、MISO为输入（SPI主机模式下由硬件自动配置为输入），SCLK为输出、SS为输出。SPI接口初始化后就可以与CS5550通信。由于直接采用单片机的SPI接口读写CS5550，字节中每一位的发送/接收均由硬件完成，这样可简化控制和数据采集程序：向CS5550发送命令字节时只需将其直接写入SPDR 寄存器即可；而读取返回数据时只需读取SPDR寄存器即可。为使SPI通信能够可靠、稳定地运行，这里有两个问题需要注意：一个问题是在向SPDR寄存器写数据之前，应首先查询SPSR寄存器中的SPI

8、F位，以确保发送中的数据不会被新写入的数据所破坏。用C语言编写程序时可以使用类似的 “while（!SPSR_ SPIF）;”的形式等待数据发送结束; 另一个问题是，由于ATmega16 单片机的SPI接口无接收结束标志位，在读取SPDR寄存器之前应插入延时程序以确保读回数据的完整性和准确性8。该程序流程如图2所示。 3使用软件模拟SPI接口 在实际应用中，可能会出现所选用的单片机没有集成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协议与外围器件通信的情况，这时就必须采用软件模拟的方式来实现SPI通信。一般来说，可以使用单片机的任何4 个 I/O接口与CS5550连接。但为便

9、于与前一种方法（使用硬件SPI接口）进行比较，这里仍采用图1所示的电路连接方式。在编写SPI接口程序前,要对使用到的I/O端口进行配置：PB5为输出（MOSI），PB6为输入（MISO），PB7为输出（SCK）， PB4为输出（SS）。其中PB7端口初值为“0”，PB4端口初值为“1”。为了模拟SPI数据寄存器，这里定义3个unsigned char型变量SPI_transmit_buffer、SPI_receive_buffer和transmit_ counter分别用来存放需要发送的数据、接收到的数据和已发送数据的位数。每一位数据的发送接收必须严格按照 CS5550数据手册上的时序要求来编

10、写，否则会造成数据传输错误。CS5550的读写时序如图3所示。 从图3及其数据手册中的相关说明可知，CS5550读取SDI线上的命令发生在 SCK的上升沿，而其会在SCK下降沿发生后20ns（典型值）之内将下一位数据发送到SDO线上。根据以上分析，可以得到图 4所示的SPI接口函数编写流程。 若仍以实现CS5550单次转换、单片机读取其数据寄存器为例，则CS5550的采集函数编写流程图与第3部分中的图2相同，只需要利用这个软件模拟的SPI接口函数替换前面流程中对SPDR寄存器的读写即可。 4硬件设计与软件模拟 SPI接口的比较 从上述讨论看出，硬件SPI接口的工作独立于CPU内核，这使得SPI

11、数据的收发与CPU内核运算并行执行，提高单片机的工作效率。由于数据的收发完全由硬件完成，软件的编写不涉及具体收发细节，程序简单、速度快。而采用软件 模拟实现SPI接口的方法则具有端口定义灵活、使用方便的特点。可以在不增加硬件成本的情况下，给不含SPI接口的单片机增加SPI通信功能。但软件模拟SPI需要占用CPU处理时间，故一般只在通信数据量不太大的情况下使用。 5结束语 模数转换器和单片机在智能化仪表的应用广泛，本文讨论的CS5550与单片机的两种接口方式具有普遍意义，对其他类似的设计提供参考。目前，以上两种方法均已被应用到某基于CS5550的工业测温仪表中，取得较好效果。 参考文献： 1Ci

12、rrus Logic， Inc. CS5550 Datasheet EB/OL. 2008. http:/ /en/pubs/proDatasheet/CS5550_F1.pdf. 2于焱 . -型 A/D转换芯片 CS5550在称重系统中的应用J.计测技术， 2008（3）： 57-59. 3Atmel Corporation.Atmega8（L）datasheet EB/OL.2008.http: /dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf. 4 Microchip Corporation. PIC16F877 datasheet EB/OL.2008. /downloads/en/DeviceDoc/30292c. pdf. 5 Analog Devices，Inc.ADuC812 datasheet EB/OL.2008.http:/ /static/imported-files/data_sheets/ADUC812. pdf. 6 Atmel Corporation.