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操縱MCU SPI接口以訪問非標(biāo)準(zhǔn)SPI ADC

本文作者：Steven Xie 點擊： 2020-01-02 10:58

前言：

答案：可以，但可能需要做一些額外的努力。

簡介
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。控制器寫入或讀取ADC內(nèi)部寄存器并讀取轉(zhuǎn)換碼。SPI的印刷電路板(PCB)布線簡單，并且有比并行接口更快的時鐘速率，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，因為它們希望實現(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。用戶在設(shè)計微控制器SPI以配置ADC和讀取代碼時往往會遇到困難。

圖1:AD7768用作串行主機，具有兩個數(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。來自主機或從機的數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿同步。主機和從機可以同時傳輸數(shù)據(jù)。圖2顯示了典型的4線MCU SPI接口連接。

圖2:與ADC從機的標(biāo)準(zhǔn)MCU SPI連接

要開始SPI通信，控制器必須發(fā)送時鐘信號，并通過使能CS信號（通常是低電平有效信號）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線同時輸出數(shù)據(jù)。控制器SPI接口允許用戶靈活選擇時鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或移位數(shù)據(jù)。為了在主機和從機之間進(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時序模式，那么用戶設(shè)計PCB布線和開發(fā)驅(qū)動器固件不成問題。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。

本文會給出四種通過串行接口讀取ADC碼的解決方案：
? 解決方案1：MCU作為SPI從機，通過一條DOUT線與作為SPI主機的ADC接口。
? 解決方案2：MCU作為SPI從機，通過兩條DOUT線與作為SPI主機的ADC接口。
? 解決方案3：MCU作為SPI從機，通過DMA與作為SPI主機的ADC接口。
? 解決方案4：MCU作為SPI主機和SPI從機，通過兩條DOUT線讀取數(shù)據(jù)。

圖3:SPI數(shù)據(jù)時鐘時序圖示例

圖4:AD7768 FORMATx = 1×時序圖，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，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作為主機工作，數(shù)據(jù)流入MCU、DSP或FPGA。AD7768/AD7768-4向從機提供數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)時鐘(DCLK)和下降沿幀使能信號(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SPI端口，可以使用典型的SPI時序模式將其配置為SPI主機或從機。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的同步采樣。這些器件在110.8 kHz的最大輸入帶寬下實現(xiàn)了108 dB動態(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量模塊的可重復(fù)使用平臺。遺憾的是，AD7768的串行接口不是典型SPI時序模式，而且AD7768充當(dāng)串行接口主機。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：
? AD7768用作SPI主機，故必須將STM32F429I SPI配置為SPI從機。
? DRDY 高電平脈沖只持續(xù)一個DCLK周期，這不是典型的CS。
? 完成所有通道數(shù)據(jù)位的輸出之后，DCLK繼續(xù)輸出，DRDY為低電平。

解決方案1：MCU SPI作為從機，通過一條DOUT線與SPI主機ADC接口
? 將STM32F429的一個SPI端口（如SPI4）配置為從機，以DCLK速率接收MOSI上的數(shù)據(jù)位。

? 將AD7768 DRDY連接到STM32F429外部中斷輸入引腳EXTI0和NSS (SPI CS)引腳。 DRDY的上升沿將觸發(fā)EXTI0處理例程，以使SPI從機能夠在DRDY變?yōu)榈碗娖街蟮牡谝粋€DCLK下降沿開始接收數(shù)據(jù)位。時序設(shè)計在這里至關(guān)重要。
? 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)，因為DRDY會使SPI從機CS變?yōu)榈碗娖剑⑶褼CLK保持切換。

圖6:時序解決方案中的AD7768數(shù)據(jù)位讀取

MCU固件開發(fā)注意事項
當(dāng)軟件處于中斷模式時，DCLK運行速率可以高達(dá)4 MHz，實現(xiàn)8 kSPS的ODR。軟件應(yīng)進(jìn)入中斷處理程序，在一個半DCLK周期(375 ns)內(nèi)啟動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DCLK周期時間。但是，t5 DCLK上升到DOUTx無效最小值為–3 ns（IOVDD = 1.8 V時為–4 ns），因此DOUTx上的傳播延遲（>|t5| + MCU保持時間）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，通過兩條DOUT線與SPI主機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，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，以減少從DRDY上升沿觸發(fā)到使能SPI接收數(shù)據(jù)的時間延遲。這樣可以在DCLK為8 MHz時實現(xiàn)32 kSPS的ODR。

解決方案3：MCU SPI作為從機，通過DMA與SPI主機ADC接口
直接存儲器訪問(DMA)用于在外設(shè)與存儲器之間以及存儲器與存儲器之間提供高速數(shù)據(jù)傳輸。DMA可以迅速移動數(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用作從機通過DMA接收數(shù)據(jù)的設(shè)計說明。

解決方案4：MCU SPI作為主機和從機，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。對于具有兩個或更多個SPI端口的微控制器，這些SPI端口可以同時運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，SPI5作為SPI從機，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)，具有八個通道，每個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，SPI5配置為從機。

圖13顯示了AD7606B以240 kSPS運行時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主機使用，也可以與多條DOUT線配合使用以提高吞吐速率。

參考文獻(xiàn)
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UM1670用戶手冊：帶STM32F429ZI MCU的Discovery套件。STMicroelectronics，2017年9月。
Usach, Miguel。AN-1248應(yīng)用筆記：SPI接口。ADI公司，2015年9月。

作者簡介
Steven Xie于2011年3月加入ADI北京分公司，擔(dān)任ADI中國設(shè)計中心的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)中國市場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。聯(lián)系方式：steven.xie@analog.com。

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