操縱MCU SPI接口以訪問非標(biāo)準(zhǔn)SPI ADC

問題：能否用MCU訪問非標(biāo)準(zhǔn)SPI接口？

答案：可以，但可能需要做一些額外的努力。

簡(jiǎn)介

當(dāng)前許多精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)具有串行外設(shè)接口(SPI)或某種串行接口，用以與包括微控制器單元(MCU)、DSP和FPGA在內(nèi)的控制器進(jìn)行通信?？刂破鲗懭牖蜃x取ADC內(nèi)部寄存器并讀取轉(zhuǎn)換碼。SPI的印刷電路板(PCB)布線簡(jiǎn)單，并且有比并行接口更快的時(shí)鐘速率，因而越來越受歡迎。而且，使用標(biāo)準(zhǔn)SPI很容易將ADC連接到控制器。

一些新型ADC具有SPI，但有些ADC具有非標(biāo)準(zhǔn)的3線或4線SPI作為從機(jī)，因?yàn)樗鼈兿Ｍ麑?shí)現(xiàn)更快的吞吐速率。例如，AD7616、AD7606和AD7606B系列有兩條或四條SDO線，在串行模式下可提供更快的吞吐速率。AD7768、AD7779和AD7134系列有多條SDO線，用作SPI主機(jī)。用戶在設(shè)計(jì)微控制器SPI以配置ADC和讀取代碼時(shí)往往會(huì)遇到困難。

圖1.AD7768用作串行主機(jī)，具有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出引腳(14001-193)。

與ADC的標(biāo)準(zhǔn)MCU SPI連接

SPI是一種同步、全雙工、主從式接口。來自主機(jī)或從機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿同步。主機(jī)和從機(jī)可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。圖2顯示了典型的4線MCU SPI接口連接。

圖2.與ADC從機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)MCU SPI連接

要開始SPI通信，控制器必須發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，并通過使能信號(hào)（通常是低電平有效信號(hào)）來選擇ADC。SPI是全雙工接口，因此控制器和ADC可以分別通過MOSI/DIN和MISO/DOUT線同時(shí)輸出數(shù)據(jù)?？刂破鱏PI接口允許用戶靈活選擇時(shí)鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。為了在主機(jī)和從機(jī)之間進(jìn)行可靠的通信，用戶必須遵守微控制器和ADC芯片的數(shù)字接口時(shí)序規(guī)范。

如果微控制器SPI和ADC串行接口具有標(biāo)準(zhǔn)SPI時(shí)序模式，那么用戶設(shè)計(jì)PCB布線和開發(fā)驅(qū)動(dòng)器固件不成問題。但是，有些新型ADC的串行接口端口不是典型的SPI時(shí)序模式。MCU或DSP似乎不可能通過AD7768串行端口（一種非標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序SPI端口）讀取數(shù)據(jù)，如圖4所示。

本文將介紹操縱標(biāo)準(zhǔn)微控制器SPI以便與具有非標(biāo)準(zhǔn)SPI端口的ADC接口的方法。

本文會(huì)給出四種通過串行接口讀取ADC碼的解決方案：

u   解決方案1：MCU作為SPI從機(jī)，通過一條DOUT線與作為SPI主機(jī)的ADC接口。

u   解決方案2：MCU作為SPI從機(jī)，通過兩條DOUT線與作為SPI主機(jī)的ADC接口。

u   解決方案3：MCU作為SPI從機(jī)，通過DMA與作為SPI主機(jī)的ADC接口。

u  解決方案4：MCU作為SPI主機(jī)和SPI從機(jī)，通過兩條DOUT線讀取數(shù)據(jù)。

圖3.SPI數(shù)據(jù)時(shí)鐘時(shí)序圖示例

圖4.AD7768 FORMATx = 1×?xí)r序圖，僅通過DOUT0輸出。

STM32F429微控制器SPI通過一條DOUT線讀取AD7768代碼

如圖4所示，當(dāng)FORMATx = 11或10時(shí)，通道0至通道7僅通過DOUT0輸出數(shù)據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)工作模式下，AD7768/AD7768-4作為主機(jī)工作，數(shù)據(jù)流入MCU、DSP或FPGA。AD7768/AD7768-4向從機(jī)提供數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)時(shí)鐘(DCLK)和下降沿幀使能信號(hào)(DRDY)。

STM32Fxxx系列微控制器廣泛用于很多不同的應(yīng)用中。該MCU有多個(gè)SPI端口，可以使用典型的SPI時(shí)序模式將其配置為SPI主機(jī)或從機(jī)。下文中介紹的方法也可應(yīng)用于其他具有8位、16位或32位幀的微控制器。

AD7768/AD7768-4分別為8通道和4通道同步采樣Σ-Δ型ADC，每通道均有Σ-Δ型調(diào)制器和數(shù)字濾波器，支持交流和直流信號(hào)的同步采樣。這些器件在110.8 kHz的最大輸入帶寬下實(shí)現(xiàn)了108 dB動(dòng)態(tài)范圍，具備±2 ppm INL、±50 μV偏置誤差和±30 ppm增益誤差的典型性能。AD7768/AD7768-4用戶可在輸入帶寬、輸出數(shù)據(jù)速率和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡，并選擇三種功耗模式之一以優(yōu)化噪聲目標(biāo)和功耗。AD7768/AD7768-4的靈活性使其成為適合低功耗直流和高性能交流測(cè)量模塊的可重復(fù)使用平臺(tái)。遺憾的是，AD7768的串行接口不是典型SPI時(shí)序模式，而且AD7768充當(dāng)串行接口主機(jī)。一般而言，用戶必須使用FPGA/CPLD作為其控制器，

例如，使用32F429IDISCOVERY和AD7768評(píng)估板。變通SPI線的連接如圖5所示。在這種設(shè)置下，AD7768的所有八通道數(shù)據(jù)僅通過DOUT0輸出。

圖5.AD7768通過DOUT0將數(shù)據(jù)輸出到STM32F429 MCU SPI連接

需要解決的問題：

u      AD7768用作SPI主機(jī)，故必須將STM32F429I SPI配置為SPI從機(jī)。

u      高電平脈沖只持續(xù)一個(gè)DCLK周期，這不是典型的。

u      完成所有通道數(shù)據(jù)位的輸出之后，DCLK繼續(xù)輸出，為低電平。

解決方案1：MCU SPI作為從機(jī)，通過一條DOUT線與SPI主機(jī)ADC接口

u     將STM32F429的一個(gè)SPI端口（如SPI4）配置為從機(jī)，以DCLK速率接收MOSI上的數(shù)據(jù)位。

u     將AD7768  連接到STM32F429外部中斷輸入引腳EXTI0和NSS (SPI   )引腳。的上升沿將觸發(fā)EXTI0處理例程，以使SPI從機(jī)能夠在變?yōu)榈碗娖街蟮牡谝粋€(gè)DCLK下降沿開始接收數(shù)據(jù)位。時(shí)序設(shè)計(jì)在這里至關(guān)重要。

u     接收到通道0至通道7的所有數(shù)據(jù)后，應(yīng)禁用SPI以防止讀取額外的無效數(shù)據(jù)，因?yàn)?nbsp; 會(huì)使SPI從機(jī)變?yōu)榈碗娖?，并且DCLK保持切換。

圖6.時(shí)序解決方案中的AD7768數(shù)據(jù)位讀取

MCU固件開發(fā)注意事項(xiàng)

當(dāng)軟件處于中斷模式時(shí)，DCLK運(yùn)行速率可以高達(dá)4 MHz，實(shí)現(xiàn)8 kSPS的ODR。軟件應(yīng)進(jìn)入中斷處理程序，在一個(gè)半DCLK周期(375 ns)內(nèi)啟動(dòng)SPI。為使軟件更輕松地進(jìn)入中斷例程，MCU可以在DCLK上升沿讀取數(shù)據(jù)，從而提供額外的半個(gè)DCLK周期時(shí)間。但是，t5 DCLK上升到DOUTx無效最小值為–3 ns（IOVDD = 1.8 V時(shí)為–4 ns），因此DOUTx上的傳播延遲（>|t5| + MCU保持時(shí)間）應(yīng)通過PCB布線或緩沖增加。

圖7.配置SPI4外設(shè)

解決方案2：MCU SPI作為從機(jī)，通過兩條DOUT線與SPI主機(jī)ADC接口

在第一種解決方案中，僅使用DOUT0來輸出所有8通道數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)讀取將ADC吞吐速率限制為8 kSPS。如圖1所示，在DOUT0上輸出通道0至通道3，在DOUT1上輸出通道4至通道7，可以減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。串行線的連接如圖7所示。通過這種改進(jìn)，在DCLK為4 MHz時(shí)，ODR可以輕松達(dá)到16 kSPS。

圖8.AD7768通過DOUT0和DOUT1將數(shù)據(jù)輸出到STM32F429 MCU SPI連接

固件可以不使用中斷模式，而使用輪詢模式，以減少?gòu)?img src="http://editerupload.eepw.com.cn/202001/1578022891474370.png" title="1578022891474370.png" alt="image.png"/>上升沿觸發(fā)到使能SPI接收數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲。這樣可以在DCLK為8 MHz時(shí)實(shí)現(xiàn)32 kSPS的ODR。

解決方案3：MCU SPI作為從機(jī)，通過DMA與SPI主機(jī)ADC接口

直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)用于在外設(shè)與存儲(chǔ)器之間以及存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間提供高速數(shù)據(jù)傳輸。DMA可以迅速移動(dòng)數(shù)據(jù)而不需要任何MCU操作，這樣可以騰出MCU資源用于執(zhí)行其他操作。下面是MCU SPI用作從機(jī)通過DMA接收數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)說明。

解決方案4：MCU SPI作為主機(jī)和從機(jī)，通過兩條DOUT線讀取數(shù)據(jù)

高吞吐量或多通道精密ADC為SPI端口提供兩條、四條甚至八條SDO線，以在串行模式下更快地讀取代碼。對(duì)于具有兩個(gè)或更多個(gè)SPI端口的微控制器，這些SPI端口可以同時(shí)運(yùn)行以加快代碼的讀取。

圖9.EXTI0處于輪詢模式，SPI4和SPI5通過DOUT0和DOUT1接收AD7768數(shù)據(jù)位。

圖10.EXTI0處于輪詢模式，SPI4 DMA通過DOUT0接收AD7768數(shù)據(jù)位。

在以下使用案例中，32F429IDISCOVERY使用SPI4作為SPI主機(jī)，SPI5作為SPI從機(jī)，通過DOUTA和DOUTB接收EVAL-AD7606B-FMCZ數(shù)據(jù)，如圖8所示。

AD7606B是一款16位同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，具有八個(gè)通道，每個(gè)通道均包含模擬輸入箝位保護(hù)、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器和16位逐次逼近寄存器(SAR)型ADC。AD7606B還內(nèi)置靈活的數(shù)字濾波器、低漂移2.5 V精密基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電壓緩沖器，可驅(qū)動(dòng)ADC及靈活的并行和串行接口。AD7606B采用5 V單電源供電，支持±10 V、±5 V和±2.5 V真雙極性輸入范圍，所有通道均能以800 kSPS的吞吐速率采樣。

圖11.在主從模式下使用MCU SPI通過DOUTA和DOUTB接收數(shù)據(jù)

圖12.SPI4配置為主機(jī)，SPI5配置為從機(jī)。

圖13顯示了AD7606B以240 kSPS運(yùn)行時(shí)BUSY、SCLK、DOUTA和DOUB的數(shù)字接口截圖。

圖13.AD7606B BUSY、SCLK以及DOUTA和DOUTB上的數(shù)據(jù)的示波器截圖

結(jié)論

本文討論了使用微控制器SPI訪問具有非標(biāo)準(zhǔn)SPI接口的ADC的方法。這些方法可以直接使用，也可以稍加調(diào)整即可控制ADC SPI；其可作為SPI主機(jī)使用，也可以與多條DOUT線配合使用以提高吞吐速率。

致謝

非常感謝應(yīng)用工程師Mika Jiang和Yao Zhao，他們提供了有關(guān)STM32F429IDISCOVERY套件快速啟動(dòng)和固件調(diào)試工作的建議。

參考文獻(xiàn)

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Usach, Miguel。AN-1248應(yīng)用筆記：SPI接口。ADI公司，2015年9月。

作者簡(jiǎn)介

Steven Xie于2011年3月加入ADI北京分公司，擔(dān)任ADI中國(guó)設(shè)計(jì)中心的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)中國(guó)市場(chǎng)SAR型ADC產(chǎn)品的技術(shù)支持工作。在此之前，他曾在無線通信基站領(lǐng)域做過四年的硬件設(shè)計(jì)人員。2007年，Steven畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，并獲得通信與信息系統(tǒng)碩士學(xué)位。