A/D轉換器CS5550與單片機的接口程序設計

辛曉寧，吳子旭

（沈陽工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽110178）

A/D轉換器CS5550與單片機的接口程序設計

辛曉寧，吳子旭

（沈陽工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽110178）

分析雙通道低成本A/D轉換器CS5550的接口特點，以ATmega16單片機為例設計CS5550與單片機的接口電路。經過對ATmega16單片機SPI口的分析，詳細討論使用硬件SPI接口和軟件模擬SPI兩種方式的程序設計，并給出相應的軟件流程圖。最后對CS5550的兩種接口方式進行比較。

模數轉換器；CS5550；單片機；接口程序

現代智能化儀器儀表中A/D轉換器和單片機是重要組成部分。串行A/D轉換器的串口信號線數目較少，在數據采樣速率較低的系統中有利于降低硬件間連線的復雜度，節省單片機的接口資源。在CS5550的性能特點及其片上串行接口的基礎上，給出CS5550與單片機的接口程序設計方案。

1 CS5550的主要性能及接口特點[1]

CS5550是Cirrus Logic公司推出的一款雙通道低成本Δ-Σ型 A/D轉換器，內部集成有2個Δ-Σ A/D轉換器、2個放大器、1個串行接口以及1個溫漂為25 ppm/℃的2.5 V參考電壓源。CS5550在兩個通道上都具有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個雙向數字串行接口，包括CS（片選信號）、SDI（數據輸入）、SDO（數據輸出）和 SCLK（串行時鐘）4條控制線。該串口與標準SPI接口協議兼容，可與帶有SPI接口的單片機傳輸數據。另外，CS5550還有一個中斷輸出引腳INT，可通過配置其屏蔽寄存器（Mask Register）來設定中斷，并可通過軟件修改配置寄存器中的“IMODE IINV”位來決定中斷的產生方式（高/低電平或上升/下降沿有效）。

2 單片機的SPI接口與CS5550連接

SPI接口是由Motorola公司最先推出的，目前很多型號的單片機都集成有SPI接口，如ATMEL公司的ATmega8[3]、PIC公司的 PIC16F877[4]、Analog Devices公司的 ADuC812[5]等。 用戶可使用單片機所提供的SPI接口與CS5550直接連接。這里以ATmega16單片機為例討論使用單片機的SPI接口實現讀寫CS5550的操作。

2.1 ATmega16的SPI接口及其與CS5550的連接

ATmega16單片機內部的SPI接口可完成全雙工、3線同步數據傳輸。它支持主/從機操作模式，作為主機時具有倍速模式（CK/2）；具有寫碰撞標志檢測、傳輸結束中斷標志、7種可編程的比特率，并可設置LSB或MSB首先發送[6]。在實際使用該SPI接口時，需要將MOSI（主機輸出從機輸入）、MISO（主機輸入從機輸出）、SCK（串行時鐘）、SS（從機選擇）引腳依次與 CS5550的 SDI、SDO、SCLK、CS引腳相連，如圖 1所示。

圖1 ATmega16的SPI接口與CS5550連接電路

ATmega16單片機中與SPI接口相關的寄存器有3個：SPCR （SPI控制寄存器）、SPSR （SPI狀態寄存器）、SPDR（SPI數據寄存器）。其中，SPCR寄存器設置SPI接口的中斷、數據順序、主/從模式及串行時鐘的相關特性；而SPSR寄存器中包括有SPI中斷標志位（SPIF）、寫碰撞標志位和倍速模式選擇位，SPSR中的SPIF位將在SPI接口串行數據發送完成時置“1”，若此時用戶已使能SPI接口中斷且全局中斷被打開，則會產生SPI接口中斷。應該指出的是，在SPI接口數據接收完成時該SPIF位不會被置“1”，即沒有接收結束標志位[7]。串行時鐘的產生由硬件自動完成：每當有新數據寫入SPDR寄存器中，SPI接口會自動產生SCK信號將SPDR中的數據發送出去，同時將讀取的數據存入SPDR的緩沖寄存器中。

2.2 軟件設計

對CS5550的所有操作都是通過讀寫ATmega16單片機的內部寄存器來完成的。在使用單片機的SPI接口之前，要對其進行初始化。這里采用查詢方式來發送數據，故將SPCR中的最高位SPIE置“0”，禁止中斷。使能 SPI接口（SPE=1）。因CS5550的數據傳輸為MSB首先發送，故使DORD=0。將ATmega16選擇為主機模式（MSTR=1）。選擇SPI工作模式0（CPOL=0，CPHA=0）。配置串行時鐘設置為單片機晶振頻率的 1/16（SPR1=0，SPR0=1）。綜合以上對 SPCR 各位的分析，應配置SPCR=0x51。另外還要對SPI接口相應的引腳方向進行配置：定義MOSI為輸出、MISO為輸入（SPI主機模式下由硬件自動配置為輸入），SCLK為輸出、SS為輸出。SPI接口初始化后就可以與CS5550通信。

由于直接采用單片機的SPI接口讀寫CS5550，字節中每一位的發送/接收均由硬件完成，這樣可簡化控制和數據采集程序：向CS5550發送命令字節時只需將其直接寫入SPDR寄存器即可；而讀取返回數據時只需讀取SPDR寄存器即可。為使SPI通信能夠可靠、穩定地運行，這里有兩個問題需要注意：一個問題是在向SPDR寄存器寫數據之前，應首先查詢SPSR寄存器中的SPIF位，以確保發送中的數據不會被新寫入的數據所破壞。用C語言編寫程序時可以使用類似的“while（!SPSR_SPIF）;”的形式等待數據發送結束;另一個問題是，由于ATmega16單片機的SPI接口無接收結束標志位，在讀取SPDR寄存器之前應插入延時程序以確保讀回數據的完整性和準確性[8]。該程序流程如圖2所示。

圖2 使用ATmega16硬件SPI接口程序流程

3 使用軟件模擬SPI接口

在實際應用中，可能會出現所選用的單片機沒有集成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協議與外圍器件通信的情況，這時就必須采用軟件模擬的方式來實現SPI通信。一般來說，可以使用單片機的任何4個I/O接口與CS5550連接。但為便于與前一種方法（使用硬件SPI接口）進行比較，這里仍采用圖1所示的電路連接方式。在編寫SPI接口程序前,要對使用到的I/O端口進行配置：PB5 為輸出（MOSI），PB6 為輸入（MISO），PB7 為輸出（SCK），PB4為輸出（SS）。 其中 PB7端口初值為“0”，PB4端口初值為“1”。為了模擬SPI數據寄存器，這里定義3個unsigned char型 變 量 SPI_transmit_buffer、SPI_receive_buffer 和 transmit_counter分別用來存放需要發送的數據、接收到的數據和已發送數據的位數。每一位數據的發送接收必須嚴格按照CS5550數據手冊上的時序要求來編寫，否則會造成數據傳輸錯誤。CS5550的讀寫時序如圖3所示。

圖3 CS5550的基本讀寫時序

從圖3及其數據手冊中的相關說明可知，CS5550讀取SDI線上的命令發生在SCK的上升沿，而其會在SCK下降沿發生后20 ns（典型值）之內將下一位數據發送到SDO線上。根據以上分析，可以得到圖4所示的SPI接口函數編寫流程。

圖4 軟件模擬SPI的函數編寫流程

若仍以實現CS5550單次轉換、單片機讀取其數據寄存器為例，則CS5550的采集函數編寫流程圖與第3部分中的圖2相同，只需要利用這個軟件模擬的SPI接口函數替換前面流程中對SPDR寄存器的讀寫即可。

4 硬件設計與軟件模擬SPI接口的比較

從上述討論看出，硬件SPI接口的工作獨立于CPU內核，這使得SPI數據的收發與CPU內核運算并行執行，提高單片機的工作效率。由于數據的收發完全由硬件完成，軟件的編寫不涉及具體收發細節，程序簡單、速度快。而采用軟件模擬實現SPI接口的方法則具有端口定義靈活、使用方便的特點。可以在不增加硬件成本的情況下，給不含SPI接口的單片機增加SPI通信功能。但軟件模擬SPI需要占用CPU處理時間，故一般只在通信數據量不太大的情況下使用。

5 結束語

模數轉換器和單片機在智能化儀表的應用廣泛，本文討論的CS5550與單片機的兩種接口方式具有普遍意義，對其他類似的設計提供參考。目前，以上兩種方法均已被應用到某基于CS5550的工業測溫儀表中，取得較好效果。

[1]Cirrus Logic，Inc.CS5550 Datasheet[EB/OL].2008.http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5550_F1.pdf.

[2]于 焱.Δ-Σ型A/D轉換芯片CS5550在稱重系統中的應用[J].計測技術， 2008（3）：57-59.

[3]Atmel Corporation.Atmega8（L） datasheet[EB/OL].2008.http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf.

[4]Microchip Corporation.PIC16F877 datasheet[EB/OL].2008.http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c.pdf.

[5]Analog Devices，Inc.ADuC812 datasheet[EB/OL].2008.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADUC812.pdf.

[6]Atmel Corporation.Atmega16 Datasheet[EB/OL].2008.http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8154.pdf.

[7]楊俊春，孫 珅，趙國良.AVR單片機中的SPI接口[J].應用科技， 2005，32（2），43-46.

[8]王紅亮，楊 曉.AVR單片機與串行A/D的SPI接口設計[J].電測與儀表， 2008，45（9）:45-48.

Interface program design of A/D converter CS5550 and microcontroller

XIN Xiao-ning，WU Zi-xu
（School of Information Sience and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang110178，China）

The interface features of two-channels，two-cost A/D converter CS5550 are analyzed.Using ATmega16 microcontroller as an example，the interface circuit of CS5550 and microcontroller is designed.After analyzing the SPI interface of ATmega16，hardware SPI interface and software-emulated SPI are fully discussed as two methods of interface program design.The corresponding software flowcharts are given.Finally，the two interface modes of CS5550 are compared.

A/D converter;CS5550;microcontroller;interface program

TP312

A

1674－6236（2010）01-0049-03

2009-01-04 稿件編號：200901007

辛曉寧（1965—），男，遼寧沈陽人，博士，教授。研究方向：片上系統及嵌入式軟硬件設計。