基于STM32的16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8509的應(yīng)用

路曉 張勇 言行果 吉耀輝 劉宜欣

摘要：隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集已成為控制電路中不可或缺的一部分，因此，數(shù)模轉(zhuǎn)化器和單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于各種控制電路中。ADS8509是德州儀器公司生產(chǎn)的16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。文章通過分析ADS8509的工作原理、接口特點(diǎn)及使用方法，給出了在內(nèi)部時鐘模式下，ADS8509與STM32單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集電路和相關(guān)程序代碼，得到基于STM32的ADS8509的使用方法。

關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器;數(shù)據(jù)采集;單片機(jī);外圍電路;內(nèi)部時鐘

中圖分類號：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0009-03

1 引言

單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)中的核心部件[1]，STM32是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款微控制器產(chǎn)品系列的總稱[2]，本質(zhì)上也是一款單片機(jī)。這款單片機(jī)吸取了其他單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外設(shè)等的優(yōu)點(diǎn)，并做了一些重要的改變，主要是程序存儲器的可擦除次數(shù)，語句執(zhí)行速度等。本文主要采用STM32F1系列單片機(jī)，它具有集成度高、低功耗、低成本、集成接口豐富、實(shí)時性強(qiáng)、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)[3-6]。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC，是指將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電子元件，是現(xiàn)實(shí)世界中模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換的橋梁，是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[11-13]。目前有多種類型的A/D轉(zhuǎn)換器，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型、型和流水線型等[14-15]。本文介紹的ADS8509是一種CMOS結(jié)構(gòu)的逐次逼近寄存器型A/D轉(zhuǎn)換器，具有高速、相位誤差小、噪聲和漂移低、功耗低、易于生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

2 STM32及ADS8509主要性能及相關(guān)管腳說明

2.1 主要性能

STM32F1系列單片機(jī)采用ARM公司的高性能“Cortex-M3”內(nèi)核，兼容5V的I/O管腳，內(nèi)嵌復(fù)位電路、RC振蕩器，且外設(shè)接口豐富，如：串行調(diào)試和JTAG接口、DMA、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、SPI通信接口、I2C通信接口等[6-10]。最高工作頻率72M，但采用內(nèi)部時鐘時，最高工作頻率為64M。片上集成32-512KB的Flash存儲器和6-64KB的SRAM。

ADS8509是一款具有250KHz采樣速率， 16位串行數(shù)據(jù)輸出的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兼容模擬量輸入、串口輸出、SPI串行通信協(xié)議，最大非線性誤差小于±2LSB的A/D轉(zhuǎn)換器。采用CMOS技術(shù)并具有單電源供電功能。ADS8509具有雙極性和單極性兩種電壓輸入方式，本電路采用該芯片的單極性工作方式，電壓輸入范圍為0～5V。數(shù)據(jù)輸出采集有內(nèi)部時鐘和外部時鐘兩種參考基準(zhǔn)，使用外部時鐘時，該芯片通過接收外部時鐘來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸，采用內(nèi)部時鐘時，只要給控制信號，芯片會自己發(fā)送時鐘信號，進(jìn)行傳輸。本電路以內(nèi)部時鐘和電壓參考源為基準(zhǔn)，采用二進(jìn)制編碼方式輸出十六位串行數(shù)據(jù)。

2.2 管腳說明

單片機(jī)STM32管腳眾多，本文中用到的主要是其SPI接口和調(diào)試接口，因此只對這部分功能進(jìn)行說明。通常SPI 通訊使用四條連接線：SCK、MOSI、MISO、NSS，其中NSS為選擇信號線，其他均為數(shù)據(jù)線，它們的具體功能如下：

（1） NSS：從設(shè)備選擇線，也稱為CS。用于多個從設(shè)備共用SCK、 MOSI及 MISO三條信號線。當(dāng)有多個SPI從設(shè)備時，所有從設(shè)備的三條信號線全部并聯(lián)在一起，共用三條數(shù)據(jù)線，但是有多少個從設(shè)備必須有多少個從設(shè)備選擇線，即片選信號線。片選信號低電平有效，即當(dāng)該從設(shè)備的片選信號為低電平時，該從設(shè)備被選中與主機(jī)進(jìn)行SPI通訊，變?yōu)楦唠娖綍r，通訊結(jié)束。因?yàn)镾PI協(xié)議中沒有設(shè)備地址，所以通過NSS信號來選擇通訊地址。

（2） SCK：SPI傳輸時鐘信號線，主要用于傳輸數(shù)據(jù)的同步。進(jìn)行通訊時，不同設(shè)備具有不同的通信速率，它由通訊主機(jī)產(chǎn)生，主要決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省５菙?shù)據(jù)的傳輸?shù)乃俾屎蛢蓚€設(shè)備所能承受的最大傳輸速率都有關(guān)系，如STM32系列單片機(jī)SPI時鐘的最大頻率為fpclk/2，進(jìn)行設(shè)計時除了要考慮芯片的傳輸速率還要考慮STM32的傳輸速率。

（3） MOSI： 主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳。這條線主要是用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)模捎赟TM32可以作為主設(shè)備也可以作為從設(shè)備，所以需要區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸時，它接收還是發(fā)送，這條數(shù)據(jù)線代表主機(jī)用來輸出數(shù)據(jù)的信號線，因此這條信號線的方向?yàn)閺闹鳈C(jī)到從機(jī)。

（4） MISO： 主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳。與上面那條數(shù)據(jù)線相反，這條數(shù)據(jù)線的方向是從機(jī)到主機(jī)，這條信號線主要是用來接收數(shù)據(jù)的。

ADS8509工作溫度范圍在-40℃～85℃之間。它有20引腳SO和28引腳SSOP兩種封裝形式，引腳圖如圖1所示。本文使用的是20引腳SO封裝形式的芯片，并且采用單極性5V供電電源。下面對芯片的主要引腳進(jìn)行介紹：

SB/：用來選擇是用二進(jìn)制輸出還是用二進(jìn)制補(bǔ)碼形式輸出。該引腳電平為低時，用補(bǔ)碼形式輸出，為高時，用標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制輸出。

EXT/>：用來選擇時鐘模式，當(dāng)該引腳電平為高時，采用外部時鐘模式;為低時，采用內(nèi)部時鐘模式。

：用來判斷芯片是否轉(zhuǎn)換完成，即忙輸出。芯片轉(zhuǎn)換開始后，該信號引腳會輸出低電平，直到轉(zhuǎn)換完成變成高電平。

R/：用于芯片開始轉(zhuǎn)換的信號。檢測到該引腳低電平，啟動芯片AD轉(zhuǎn)換。

TAG：該芯片可以級聯(lián)，該引腳用于外部時鐘模式下選擇輸入端。

DATA：用于采集數(shù)據(jù)的輸出。

DATACLK：用于選擇芯片時鐘，同步數(shù)據(jù)輸出。在內(nèi)部時鐘模式下，為時鐘輸出端;在外部時鐘模式下，為數(shù)據(jù)輸入端。6614696C-949E-448D-B7F8-D701A45A26B1

SYNC：同步輸出，一般用在外部時鐘情況下。

3 ADS8509的工作原理

有兩個信號來控制ADS8509的轉(zhuǎn)換：和R/，一般情況下，始終保持低電平，這樣ADS8509的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出都只由R/信號控制。采用外部時鐘模式還是內(nèi)部時鐘模式由EXT/控制。

（1）內(nèi)部時鐘模式：

當(dāng)ADS8509片選信號保持低電平同時EXT/為低電平，采用內(nèi)部時鐘模式。在該模式下，DATACLK為輸出端，同時控制信號R/的下降沿可以使ADS8509內(nèi)部的采樣—保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，同時啟動轉(zhuǎn)換并將上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DATA引腳輸出。其中輸出數(shù)據(jù)DATA與時鐘引腳DATACLK同步，其工作時序如圖2所示：

（2）外部時鐘模式：

和內(nèi)部時鐘模式相似，該芯片片選控制信號CS被置為低電平，時鐘選擇引腳被置為高電平時使用外部時鐘模式，同時將TAG引腳接低電平。采用外部時鐘模式時，一般開始BUSY信號為高電平時開始讀數(shù)，讀的是上一次轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)與外部輸入時鐘同步移入DATA引腳中。讀數(shù)據(jù)允許的最高傳輸頻率為28.5MHz.

在采用外部時鐘時，外部時鐘可以是間斷的也可以是連續(xù)的。顧名思義，間斷的外部時鐘就是需要讀取數(shù)據(jù)的時候就給外部時鐘，連續(xù)的外部時鐘是一直給外部時鐘。考慮到靈活性和穩(wěn)定性一般采用間斷模式，即需要讀數(shù)據(jù)的時候輸入外部時鐘。

外部時鐘模式下的工作時序如圖3所示：

4 ADS8509與單片機(jī)STM32接口的應(yīng)用電路

5 結(jié)語

本文詳細(xì)描述了ADS8509芯片的性能及工作原理。設(shè)計了在內(nèi)部時鐘模式下，ADS8509與STM32單片機(jī)硬件接口的數(shù)據(jù)采集電路，同時給出了程序代碼，得到正確使用該數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS8509的方法。此外，ADS8509的控制引腳，很容易受到外部信號的干擾，設(shè)計電路時應(yīng)做好相應(yīng)的濾波處理，同時注意采樣速率，過快的采樣速率，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼。

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收稿日期：2022-01-06

作者簡介：路曉（1993—），女，山西大同人，設(shè)計師，碩士，主要研究方向?yàn)轵?qū)動控制。6614696C-949E-448D-B7F8-D701A45A26B1