SPI与模拟量转换课件

第十章SPI与模拟量转换主要内容SPI的基本工作原理GP32的SPI模块编程基础A/D和D/A转换的基本问题MC908GP32内部A/D转换模块GP32MCUA/D转换编程实例*利用SPI进行高位扩A/D展接口*利用SPI进行高位扩D/A展接口*扩展实现D/A转换*常用传感器及采样电路简介

《嵌入式技术基础与实践》10.1SPI的基本工作原理10.1.1SPI的主要特性

①全双工。 ②主、从工作方式。 ③发送和接收的数据寄存器相互独立从而实现双缓存操作。 ④主机可以设定4种工作频率(最大可达总线频率的二分之一)。 ⑤从机最大工作频率等于总线频率。 ⑥发送结束、接收结束、工作方式错误和溢出错误四种中断标志。 ⑦一个主控MCU和几个从控MCU相互连接。 ⑧几个MCU相互连接构成一个多主机系统。 ⑨一个主控MCU和一个或多个从属外设相互连接。10.1.2SPI的数据传输

利用SPI进行MCU之间的数据传输时，主机的程序控制着数据传输，从机的程序配合主机工作，完成传输过程。图10-1是SPI的主-从连接示意图。具体工作过程:

从主机CPU发出启动传输信号开始，此时要传送的数据装入8位移位寄存器，同时产生8个时钟信号从SPSCK引脚依次送出;在SPSCK信号的控制下，主机中8位移位寄存器中的数据依次从MOSI引脚送出，到从机的MOSI引脚送入它的8位移位寄存器;在此过程中，从机的数据也通过MISO引脚到主机中。图10-1SPI全双工主-从连接

移位寄存器移位寄存器MISOMISO主MCUMOSI

MOSI波特率发生器从MCUSPSCKSPSCK10.1.3SPI模块的时序图10-3CPHA=0，CPOL=1时的数据/时钟时序图

SPSCK周期CPOL=1MOSIFROMMASTERMISOFROMSLAVE信号捕捉点10.1.3SPI模块的时序图10-4CPHA=1，CPOL=0时的数据/时钟时序图SPSCK周期CPOL=0MOSIFROMMASTERMISOFROMSLAVE信号捕捉点10.1.3SPI模块的时序图10-5CPHA=1，CPOL=1时的数据/时钟时序图

SPSCK周期CPOL=1MOSIFROMASTERMISOFROMSLAVE信号捕捉点10.2.2SPI模块的寄存器

SPI模块有3个寄存器:数据寄存器SPDR,控制寄存器SPCR,状态和控制寄存器SPSCR。（1）数据寄存器SPDR（SPIDataRegister）

SPDR由两个独立的数据寄存器组成:只能写入的发送数据寄存器和只能读出的接收数据寄存器，它们共用一个地址$0012。写入时，为要发送的8位数据，记为：T7～T0；读出时，为接收的8位数据，记为：R7～R0。（2）控制寄存器SPCR（SPIControlRegister）

SPCR复位时写一次，以后不再对其写入，不再更改对SPI的设置,地址是$0010，各位定义：SPI接收中断允许位

DMA选择位

SPI发送中断允许位

SPI允许位

SPI线或模式位

时钟相位位

时钟极性选择位

SPI主机位

数据位D7D6D5D4D3D2D1D0定义SPRIEDMASSPMSTRCPOLCPHASPWOMSPESPTIE复位001010003．SPI状态和控制寄存器SPSCR(SPIStatusandControlRegister)

SPSCR的地址：$0011，定义为：SPI的波特率=CGMOUT/(2xBD)。上式中：CGMOUT为时钟产生模块CGM的基准时钟输出。BD是分频系数，由SPR1、SPR0位决定：SPR1、SPR0=00011011BD=2832128SPI接收器满标志位

错误中断允许位

SPI波特率选择位

模式错误标志允许位

SPI发送器空标志位

模式错误标志位

溢出标志位数据位D7D6D5D4D3D2D1D0定义SPRFERRIEOVRFMODFSPTEMODFENSPR1SPR0复位0000100010.3A/D和D/A转换的基本问题1A/D转换

A/D转换模块（AnalogToDigitalConvertModule）,即模数转换,是将电压信号转换为对应的数字信号。 进行A/D转换的基本问题:（1）采样精度数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,即采样位数。（2）采样速率完成一次A/D采样所要花费的时间。（3）滤波对采样的数据进行筛选去掉误差较大的毛刺。（4）物理量回归把A/D采样值与实际物理量对应起来。

2D/A转换（1）D/A转换器的转换精度有两种衡量方法

分辨率：D/A转换器在理论上可达到的精度。其定义，电路所能分辨的最小输出电压VLSB(输入的n位数字代码最低有效位LSB为1，其余都为0)与最大输出电压Vm(此时输入数字代码所有各位全为1)之比。转换误差：D/A转换器实际上能达到的转换精度。转换误差可用输出电压满度值的百分数表示，也可以用LSB的倍数来表示。

（2）D/A转换器的转换速度有两种衡量方法建立时间tset是在输入数字量各位由全0变为全1或由全1变为全0时，输出电压达到某一规定值(例如取1/2LSB或满度值的0.01%)所需要的时间。转换速率SR是在大信号工作时，即输入数字量的各位由全0变为全1或由全1变为0时，输出电压uo的变化率。D/A转换器完成一次转换所需的时间应包括建立时间tset和输出电压uo的上升或下降时间，即最大转换时间为：TTRmax=tset+Vomax/SR上式中Vomax是输出模拟电压的最大值。

10.4.1GP32A/D转换模块寄存器2．A/D转换数据寄存器ADR(Analog-to-DigitalDataRegister)

ADR存放A/D转换的8位结果，每次A/D转换结束更新该寄存器。编程从该寄存器读取A/D转换结果。该寄存器地址为：$003D，为只读寄存器，复位时为$00。10.4.1GP32A/D转换模块寄存器3．A/D转换输入时钟寄存器ADCLK(Analog-to-DigitalInputClockRegister)

该寄存器决定A/D转换的时钟频率来源、分频系数值，芯片内的A/D转换器要求ADC时钟频率为1MHz左右。ADCLK的地址是：$003E.定义为：

ADC时钟分频系数选择位

ADC输入时钟源选择位

未用

数据位D7D6D5D4D3D2D1D0定义ADIV2ADIV1ADIV0ADICLK----复位0001111110.4.2A/D转换模块的基本编程方法（1）A/D转换初始化

对ADCLK写入控制字节，决定时钟输入源是内部总线还是外部晶振，决定分频系数等。

（2）启动A/D转换

对ADSCR写入控制字节，选取要转换的通道、决定转换结束数据获取的方式、设置是连续转换还是一次转换等。

（3）获A/D转换结果

若是中断方式，在A/D中断程序中取得，若是查询方式，通过ADSCR的第7位(COCO位)取得，当COCO=1时可从ADR中取数。

10.5.1A/D转换08C语言编程实例（1）A/D转换有关C语言子函数（1）A/D转换有关C语言子函数（1）A/D转换有关C语言子函数10.5.2A/D转换汇编语言编程实例（1）A/D转换有关子程序（2）A/D转换测试程序汇编主程序*10.6高位A/D转换接口10.6.1A/D芯片TCL2543概述1．TLC2543的引脚说明图10-8TLC2543的封装管脚

(3)转换过程

上电后，片选CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置0，输出数据寄存器内容是随机的。开始时,片选CS为高,I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止,DATAOUT呈高阻态，EOC为高。使CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻态。12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，因此，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10μs,转换完成EOC变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。3.TLC2543与MCU的接口方法

TLC2543与微处理器芯片的接口部分有五个引脚，分别是:时钟输入(I/OCLOCK)、串行控制字输入(DATAINPUT)、片选输入(CS)、A/D转换串行数据输出(DATAOUTPUT)、转换结束电平输出(EOC)。经分析TLC2543的工作时序，可以通过软件估计转换结束，免去EOC接线。TLC2543与具有SPI或相同接口能力的MCU可以直接连接，对于没有SPI接口的MCU可以通过软件编程合成SPI操作。10.6.2SPI模块与TLC2543的接口扩展1．扩展电路设计MC68HC908GP32PTC0MISOMOSISPSCKPTC1PTC2TLC2543(第0片)AIN0CS∶DATAOUT∶DATAINPUT∶I/OCLOCKAIN10模拟量输入∶∶∶TLC2543(第1片)AIN0CS∶DATAOUT∶DATAINPUT∶I/OCLOCKAIN10∶∶∶TLC2543(第2片)AIN0CS∶DATAOUT∶DATAINPUT∶I/OCLOCKAIN10∶∶∶图10-7基于SPI的A/D转换扩展电路10.6.2SPI模块与TLC2543的接口扩展2．编程方法

基于上述电路的A/D采集子程序

3.应用举例

利用上述子程序实现33路A/D数据的采集，并进行平均值滤波。每一路取16次求平均。*10.7扩展实现D/A转换10.7.1D/A芯片TLV5608概述1.TLV5608的引脚说明

TLV5608有20根引脚，分布参见图10-8。图10-8TLV5608的封装管脚

2．TLV5608的控制寄存器(1)控制寄存器0(CTRL0)PD－低功耗驱动：PD＝0时，正常模式；PD＝1时，低功耗。DO－数字输出使能：DO＝1时，DOUT引脚输出传送的数据。IM－输入模式：IM＝0时，直接输出二进制数据；IM＝1时，两次不足后输出。D11……D5D4D3D2D1D0x……xPDDOxxIM2．TLV5608的控制寄存器(2)控制寄存器1(CTRL1)PXY＝1时，DACXY低功耗；SXY＝1时，DACXY快速传输；SXY＝1时，DACXY低速传输。D11…D8D7D6D5D4D3D2D1D0x…xPGHPEFPCDPABSGHSEFSCDSAB3．TLV5608工作原理

TLV5608的16位数据由两部分组成：通道控制位(D15～D12)和数据位(D11～D0)。如下所示。通道控制位(D15～D12即A3～A0)，决定数据输出到哪个通道。当A3～A0＝0x0000～0x0111时对应通道DACA～DACH；当A3～A0＝0x1000选择寄存器CTRL0；当A3～A0＝0x1001选择寄存器CTRL1，其他取值这里不作介绍。

在µCMode(MODE接高电平)下传送数据时，首先，FS引脚打高电平，把要传送的数据发送到数据线上；然后，给FS引脚低电平，FS的下降沿开始，在SCLK的每个下降沿使数据一位接一位的移入内部数据寄存器(从高位开始)。在传送了16位数据后或者FS的上升沿到达后，移位寄存器的内容送至DAC锁存器。D15D14D13D12D11……D2D1D0