基于AVR單片機的SPI接口設計與實現

孫佳 上海紅生系統工程有限公司

基于AVR單片機的SPI接口設計與實現

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隨著時代的發展，科學技術的進步，人們已經在不知不覺中進入到數字化信息時代，自上世紀五十年代世界上誕生第一臺計算機開始，人類社會拉開了互聯網時代的序幕。隨著時間的推移，人們加大了對于計算機技術的研究，不斷對其性能進行改進和完善。AVR單片機技術作為計算機技術的一個重要組成部分，它于1997年由兩位挪威設計師共同研制的一款八位單片機，相較以往的單片機它內部資源更豐富，接口強大且價格低廉，一經上市便廣受人們的歡迎，現今人們將該項技術廣泛的運用于計算機、家電及通訊設備中。

AVR單片機 SPI接口 設計 實現

SPI接口即串行外設接口，它主要是將機械內部信息和外部設備以串行的方式進行連接以此進行通信傳遞信息，基于AVR單片機各方面性能進行分析，設計最佳SPI接口，實現數據傳送。SPI作為一種高效雙向的同步通信系統，通過四條線路進行信息傳遞，有效的節省了芯片及PCB的空間，安全高效，線路簡單、操作方便、信息傳遞速率較快被廣泛的運用到當下各種科技設備中，加大對于SPI接口的研究，以便最大程度的發揮其性能，下面主要將ATMEGA 128作為案例，對其進行各方面性能的研究，以便更好地滿足人們對于電路監控的實際需求，為相關科技設備的更新奠定技術基礎。

1 硬件電路的相關設計

ATMEGA 128是現今ATMEL公司最高配置的一款八位系列單片機，它由于其自身性能安全可靠、穩定性較強、價格實惠、高能低耗等特點深受人們喜愛。單片機作為一種集成電路芯片，當前被廣泛的運用到人們的生產和生活中，像飛機中的儀表控制系統、計算機網絡中的通訊技術、攝像機及全自動洗衣機都有它的身影。單片機由于其體積較小，具有極強的拓展性，使用方便，功能強大等功能多被運用于各種儀表器內，同時也可以使用單片機對電流、電壓、溫度進行科學測量，促使各種測量儀器向智能化、數字化方向轉變，像電壓表、醫用器械等。

ATMEGA 128在實際運行中結合多種電路檢測設備，極大的增強了系統的安全性和可靠性，ATMEGA 128在運行時包括一個SPI串行外設接口，在進行電路設計時需要根據電路接口的實際情況進行科學分析，以便在保證安全減少能耗的基礎上實現其最大的功用。SPI主要有兩條數據線，即MOSI主機輸出從機輸入及MISO主機輸入從機輸出，此外涉及兩條控制線，即SS片選控制線和SCK串行時鐘線。ATMEGA 128作為串行外設接口的主要控制設備，其機械設備內部的芯片完全由ATMEGA 128控制。在進行電源管理時需要對16路電流進行檢測，像對3．3V、12V等多種電壓的直流電進行運行參數的檢測，同時還需要對28V電源電壓進行隔離監測，在實際操作中需要ADT7516四片及SI8902兩片對試驗中電流及電壓參數進行轉化，在實驗中也可以用TPS24720配合TPS2490對ATMEGA 128進行輸出信號的控制，用于運行電路的通斷控制。在設計相關電路實驗時一定要切記ATMEGA 128無論在何種情況下都只能連接一個機械設備進行通信試驗，如果需要對多個設備進行實驗需要借助74LVC138譯碼器對其進行轉化，ATMEGA 128系統電路設計時應該采用最小的系統模型，其中包括ISP、JTAG仿真機口電路、引腳擴展電路、USB供電及通信電等。根據實際實驗中所需的跳線接法設置不同的晶振源，像8MHz與16MHz兩種模式。在供電與ISP進行接口時，可以直接對其進行編程設計，即相關設備仍在電路板上時仍可以對其進行二次編碼，保證相關程序與實際實驗需要相符合，確保相關實驗的科學合理性。

2 軟件的設計實現

AVR單片機的SPI接口軟件設主要是對ATMEGA 128初始化，對其運行的相關設備參數進行采集與數據處理，即在ATMEGA 128在初始化配置完成后，通過對SPI串行外設接口向外部設備傳遞數據信息，像SPI將相關數據信息傳遞給ADC(模擬數字轉換器)，在完成模擬化數字轉換器初始化工作完成過后，再對數據信息進行模擬轉化，之后再將轉化過后的數據信息通過串行外設接口傳送回MCU（單片微型計算機），微型計算機可以通過對實驗中流通的電壓和電流進行實時監控和判斷，及時做出下一步指令，管控整個電路的流通過程。

2.1 ATMEGA 128 SPI接口

ATMEGA 128 SPI接口設計時可以使用同步串行三線SPI接口，方便SPI與外部設備的連接，保證信息高效傳輸。ATMEGA 128 SPI在進行接口設計時選擇硬件方式對其進行同步通訊設計，根據不同的實驗原理和設備條件可以選擇多種通訊速率，像主機方式的最高速率為1/2系統時鐘，而從機方式的最高速率則只是1/4系統時鐘。ATMEGA 128與SPI接口相關聯的寄存器主要有三種，數據寄存器、控制寄存器和狀態寄存器，這三者都是八位寄存器，相通的配置，減少各種誤差的出現，在實驗過程中可以采用查詢標志的方式進行SPI通信編程，重置程序信息，在確定試驗運行狀態的前提下，配置正確的ATMEGA 128 SPI接口的運行方式，ADT7516、FM25H20及SI8902都可以直接用于實驗。當SPI接口完成后，如果ATMEGA 128無法自動將其轉化為SPI接口四個引腳工作模式，需要安裝MISO配置，進行輔助工作，以便能正確輸出相關信息，保證整個實驗過程穩定安全運行。而當ATMEGA 128在主控制模式下進行工作時，片選控制線并不受制于SPI硬件電路和寄存器，因此，在進行接口設計時應該根據接口的實際情況及設備運行狀況進行線路調控，重新對相關控制設備進行編碼。

2.2 數據通訊設備

當前ATMEGA 128 SPI接口設計中涉及的數據通信設備主要有SI8902和ADT7516，針對這兩款設備進行研究。SI8902是一款三通道的十位隔離監控模擬數字轉換器，轉換器內部設有SPI接口，SI8902工作的開始和運行都需要借助SPI接口才能進行數據信息的傳遞，而且SI8902在將數據傳遞出去之前需要先將信息傳輸到SPI總線上，所以在進行實驗時需要加大對于SPI的研究，切實保證相關信息的科學準確。

ADT7516是一款多功能轉換器，包括十位數字模擬轉換器、十位溫度數字轉換器及四通十二位數字模擬轉換器。此類轉換器內部兼容SPI、QSPI及I2C等多個接口，人們通常使用該芯片對整個系統電路上電壓為12V和3．3V的電流進行采集，在開展相關試驗操作時一定要注意一點，即ADT7516該項轉換器默認的工作狀態是I2C接口，所以在進行相關電路連接和實驗時首先要將通信接口由I2C轉換位SPI，而且，該芯片在工作時為了有效區分讀寫操作，在傳遞通訊信息之前必須通過主控器發送相應的讀寫編碼，同時在SS片選控制線工作時，切記讀寫編碼只能出現一種。開展相關試驗時應該進行多次試驗，滿足相關試驗的采樣要求，在經過多次采樣后求取其結果的平均值，在一定程度上保證信息的科學性，試驗中會涉及SS片選控制線連續不斷變換其目的主要是為了將默認通信接口由I2C轉換位SPI接口，模擬數據轉換時間應該超過或等于11．4毫秒，當ATMEGA 128發送數據只讀指令時，ADT7516還需要通過ATMEGA 128提供的時鐘才能轉換器轉換的信息傳遞給ATMEGA 128，在實際試驗操作過程中可以借助各種電子設備對電壓和電流進行模擬，在控制電壓不變的情況下對電阻數值進行檢測。

3 數據的處理

ATMEGA 128多由ADT7516和SI8902兩種芯片組成，并在保持電壓穩定到一定程度的基礎上對其進行電流轉換。為了保證試驗的科學性，很多時候人們在進行相關設計實驗時會在一組試驗結果得出后，將其與設定好的上門下限進行比較，如果實驗所得的結果在原先設定好的程序內，便證明相關數據實驗科學合理，電路運行中的電壓和電流符合相關要求，然后可以通過通斷控制信號將試驗所得數據信息直接輸出，如果實驗所得數據與原先設定好的出入過大相關電源通路將不予輸出。在實際工作過程中可以通過各種檢測設備對電路信息進行時時監控，以便進行科學判斷，同時也可以對相關信息進行存儲，便于日后信息的查詢。當前在實際操作中越來越多的人使用C語言進行單片機數據處理，有效的彌補了單片機數據信息和程序可讀性與移植性差的缺陷，有效的簡化了運行程序，同時還擴大了單片機的適用范圍，像使用C語言數據表格的優勢進行數據處理，采用指針變量或數組變量的方式將數據信息劃為數組，有效的提高數據處理的效率，便于相關程序高效運行。

總而言之，在數字化信息技術迅速發展的今天，單片機隨著時代的發展也在不斷改進和完善中，加大對于當下流行的AVR單片機的研究，組織專業人員對SPI接口進行科學設計，以便更好地提高其性能，增強其嵌入式系統的穩定性和抗干擾性，擴大AVR單片機的使用范圍，以便人們更好地將其運用到生活和生產中，推動人類社會不斷向智能化、科學化方向發展，更好地造福人民大眾。

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孫佳（1977—），男，漢族，江蘇阜寧縣人，大連海事大學電子工程專業學士，中級職稱。從事船舶電子設備研發設計工作近17年；負責、參與了兩項海軍通信設備的設計研發工作，并曾獲得上海市新長征突擊手稱號。