基于AVR單片機(jī)的SPI接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊啟帆+趙臘才

摘要：利用AVR單片機(jī)和SPI接口在硬件、軟件設(shè)計(jì)上的便利性，以ATmega128MCU與ADT7516、SI8902模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片之間的硬件設(shè)計(jì)和通信過程為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了電源監(jiān)控電路中的參數(shù)采集和智能控制功能。測試表明SPI接口通信正常，AVR單片機(jī)控制穩(wěn)定，滿足對電源輸出電路的實(shí)時監(jiān)視和控制要求。同時給出了ATmega128芯片SPI接口的配置過程，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的配置過程、通信時序的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：串行外設(shè)接口；AVR單片機(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)采集；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）27-0238-03

1 引言

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）是由Motorola公司設(shè)計(jì)的一種串行接口，具有電路簡單、通信可靠、控制容易、通信速率快等優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，單片機(jī)生產(chǎn)商包括Atmel、TI、MICROCHIP、FREESCALE等公司均提供具有SPI接口的單片機(jī)（MCU），允許MCU與各種外圍接口設(shè)備以串行方式通信；同時各接口供應(yīng)商提供了豐富的SPI外圍接口產(chǎn)品，包括：LCD模塊，F(xiàn)lash/EEPROM存儲器，以及數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器等器件。

下面以Atmel公司的ATmega128 MCU為例，利用其SPI接口對外圍溫控模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） ADT7516、隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）SI8902進(jìn)行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對電源供電的管理，包括對各路電源電壓、電流的監(jiān)視，及各路電源的通斷控制功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ATmega128串行外設(shè)接口（SPI）

ATmega128是Atmel公司推出的一款低功耗、高性能、多功能8位MCU，資源廣泛，功能強(qiáng)大；結(jié)合多種監(jiān)測電路，極大增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性；ATmega128提供了一個串行外設(shè)接口（SPI），它包括兩條數(shù)據(jù)線：主機(jī)輸出從機(jī)輸入（MOSI），主機(jī)輸入從機(jī)輸出（MISO）和兩條控制線：串行時鐘線（SCK），片選控制線（SS）。

在電源供電管理電路中，ATmega128作為SPI接口的主控制設(shè)備，兩種ADC芯片完全受ATmega128芯片的控制。

2.2 電路設(shè)計(jì)

電源供電管理電路實(shí)現(xiàn)直流電流12V、3.3V電壓和電流等共16路參數(shù)檢測，以及隔離28V電源電壓和電流參數(shù)監(jiān)測，設(shè)計(jì)中共采用了4片ADT7516、2片SI8902實(shí)現(xiàn)參數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。電路中，TPS24720（8片）和TPS2490配合ATmega128輸出的控制信號用于對相應(yīng)電源通路的通斷控制，F(xiàn)M25H20用于存儲電路的狀態(tài)信息。

ATmeg128在任意時刻僅能與一個從設(shè)備進(jìn)行通信，對于多個SPI從設(shè)備，采用三八譯碼器74LVC138實(shí)現(xiàn)多個從設(shè)備的片選使能，電源供電管理電路原理如圖1示。

通過配置ATmega128三個GPIO管腳（PE4，PE5，PE6），作為74LVC138的A0、A1和A2輸入端，三八譯碼器的輸出連接于各個從設(shè)備的SS端，ATmega128 SPI接口的SS線連接于74LVC138的EN管腳用于使能該器件，對應(yīng)關(guān)系如表1所示

3軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)包括ATmega128及從設(shè)備的初始化，以及參數(shù)采集和數(shù)據(jù)處理。

在ATmega128完成了初始化配置后，通過控制SPI接口向ADC發(fā)送控制字，完成相應(yīng)ADC的初始化配置，從而控制ADC對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過SPI接口回讀到MCU。MCU對不同路電壓、電流值按照預(yù)設(shè)的范圍進(jìn)行判斷，并給出電源通路的通斷控制命令。

3.1 ATmega128 SPI接口配置

ATmega128中與SPI接口有關(guān)的寄存器有控制寄存器（SPCR）、狀態(tài)寄存器（SPSR）和數(shù)據(jù)寄存器（SPDR），這三個寄存器都為8位寄存器，通過對各寄存相應(yīng)比特位的配置，可以實(shí)現(xiàn)對SPI接口的控制。軟件設(shè)計(jì)中采用查詢標(biāo)志位的方式完成SPI通信的編程，使用的軟件為AVR Studio4.18，編譯環(huán)境為WinAVR 20100110，ATmega128初始化如下所示。

//MOSI、SCK、SS對應(yīng)管腳初始化為輸出，默認(rèn)的MISO為輸入

DDRB |= （1<

//SS初始化位高電平

PORTB |=（1<

//SPI使能，主控方式，Mode 3工作方式，其他配置為默認(rèn)

SPCR |= （1<

ATmega128初始化SPI接口時應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

a. 正確配置ATmega128 SPI接口的工作模式，由ADT7516和SI8902的芯片手冊可知，兩種芯片都可以工作于Mode 3模式，F(xiàn)M25H20同樣適用；

b. 當(dāng)使能了SPI接口后，ATmega128并沒有自動強(qiáng)制轉(zhuǎn)換SPI接口的四個引腳的工作方式，因此應(yīng)該將MISO配置成輸入管腳，MOSI、SCK和SS配置成為輸出管腳；

c. 當(dāng)ATmega128工作于主控模式下，SS管腳并不受SPI硬件電路或寄存器的配置控制，因此使用時應(yīng)該根據(jù)各被控芯片的SPI協(xié)議編程控制SS。

3.2 ADT7516數(shù)據(jù)通信

ADT7516是 Analog Devices公司推出的一款多功能轉(zhuǎn)換器件，包括四通道10位ADC， 10位溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以及一個四通道的12位DAC；該芯片兼容SPI、I2C、QSPI、MICROWIRE接口，采用該芯片對電源管理模塊上3.3V和12V電壓、電流進(jìn)行采集。

ADT7516工作模式默認(rèn)下為I2C接口，初始化時需要先將通信接口轉(zhuǎn)為SPI；其次，該芯片為了區(qū)分讀寫操作，在地址、指令和數(shù)據(jù)通信之前，必須由主控器件發(fā)送寫命令碼（0X90）或讀命令碼（0X91），同時在SS使能的周期內(nèi)，只允許存在讀、寫命令碼中的一種。

設(shè)計(jì)中ADT7516初始化為Single-channel模式，采用Vdd為參考電壓，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為Vdd/1024（3.3/1024≈0.003），滿足0.01的采樣精度要求。對連續(xù)的16次采樣結(jié)果平均后作為有效采樣值。ATmega128和ADT7516之間的讀寫時序如圖2所示；通過讀指令，ADT7516向ATmega128傳輸?shù)腄ata1和Data2進(jìn)行相應(yīng)比特的組合得到10位轉(zhuǎn)換結(jié)果。

其中，SS線的連續(xù)高低變換的目的是將默認(rèn)的I2C接口轉(zhuǎn)換為所需的SPI接口；Tc為模數(shù)轉(zhuǎn)換時間，ADT7516需要滿足Tc>=11.4ms的要求；當(dāng)ATmega128發(fā)送讀指令后，ADT7516需要ATmega128提供的時鐘才能將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送給ATmega128，因此讀指令后面數(shù)據(jù)0X00的發(fā)送只是為了提供SPI總線時鐘，從設(shè)備ADT7516初始化以及讀寫操作如下所示：

//Write Command+Address+Command

PORTB&=～（1<

Master_Send（0x90）； //Write Command

Master_Send（0xXX）；

Master_Send（0xXX）；

PORTB|=（1<

//Write Command+Address

PORTB&=～（1<

Master_Send（0x90）；

Master_Send（0xXX）；

PORTB|=（1<

//Read Command+Read Value

PORTB&=～（1<

Master_Send（0x91）；//Read Command

ainX_l = Master_Receive（0x00）；

PORTB|=（1<

實(shí)驗(yàn)過程中采用電子負(fù)載設(shè)備模擬實(shí)際系統(tǒng)中電壓、電流，測試結(jié)果如表2所示，其中對12V、3.3V電壓的監(jiān)控是通過監(jiān)控電阻分壓值完成的；電流監(jiān)控是對TPS24720輸出的電壓進(jìn)行測量后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流值。

3.3 SI8902數(shù)據(jù)通信

SI8902是SILICON LABS公司推出的一款三通道10位隔離監(jiān)控ADC，內(nèi)置SPI接口，具有2.5KV或者5KV的隔離率，包含POR和UVLO功能。

SI8902模數(shù)轉(zhuǎn)換的開始以及模式的配置都是通過SPI接口向SI8902的配置寄存器發(fā)送配置數(shù)據(jù)，在等待一定的轉(zhuǎn)換時間后，ATmega128讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)；SI8902有兩種工作模式，分別為Demand Mode和Burst Mode，本文采用Demand Mode模式；采用Vdd為參考電壓，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為Vdd/1024（3.3/1024≈0.003），滿足0.01的采樣精度要求。需要明確的是，SI8902在發(fā)送轉(zhuǎn)換結(jié)果之前會將ATmega128發(fā)送的配置數(shù)據(jù)傳送到SPI總線上，因此ATmega128和SI8902之間的讀寫時序如3圖所示；MISO線上的Data1和Data2在進(jìn)入ATmega128后進(jìn)行相應(yīng)比特的組合得到10位轉(zhuǎn)換結(jié)果。

其中，Tc為模數(shù)轉(zhuǎn)換時間，ADT7516需要滿足Tc>=8us的要求；MOSI線上發(fā)送的三字節(jié)0XFF數(shù)據(jù)是為了提供時鐘給MISO線，從而保證ATmega128讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，0XFF的選取需要排除SI8902已存在配置數(shù)據(jù)。需要特別注意的地方是，由于SI8902的MISO管腳不是Open-drain輸出，因此需要對該管腳進(jìn)行三態(tài)輸出緩存（如圖1上使用的TI公司的SN74LVC1G125DBV），從而消除該芯片對SPI總線的無效占用，保證主控芯片可以和任何被控芯片進(jìn)行通信。因此SI8902初始化以及讀寫操作如下所示：

PORTB&=～（1<

Master_Send（0xXX）；//CNFG_0 Command Byte

CNFG=Master_Receive（0xFF）；

AINX_h= Master_Receive（0xFF）；//ADC_H Byte

AINX_l = Master_Receive（0xFF）；//ADC_L Byte

PORTB|=（1<

實(shí)驗(yàn)過程中采用電子負(fù)載設(shè)備模擬實(shí)際系統(tǒng)中電壓、電流，測試結(jié)果如表3所示，其中對交流電路中28V電壓的監(jiān)控是通過監(jiān)控電阻分壓值完成的；電流監(jiān)控是對TPS2492輸出的電壓進(jìn)行測量后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流值。

4數(shù)據(jù)處理

ATmega128分時使能各個ADT7516和SI8902芯片，并將其中一路電源通路的10Bits電壓、電流轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算控制通斷狀態(tài)。為了滿足控制的實(shí)時性，采樣出的一組轉(zhuǎn)換結(jié)果立馬和設(shè)定好的上下門限進(jìn)行比較，輸出通斷控制信號ON/OFF，此后再使能剩余的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果介于上下門限之間，說明該電源通路的電壓、電流滿足系統(tǒng)需求，因此通斷控制信號ON/OFF使能TPS24720或TPS2492完成對該通路的輸出，否則控制信號ON/OFF禁止TPS24720或TPS2492輸出相應(yīng)電源通路。根據(jù)系統(tǒng)的需求，各電壓、電流的上下門限如表4、表5所示；同時TPS24720、TPS2492自身也有過流和過壓保護(hù)，兩種方式結(jié)合增強(qiáng)了對該通路的監(jiān)控和系統(tǒng)的保護(hù)。最后再將各通路的電壓、電流采樣值和各通路的通斷情況通過UART接口發(fā)送到PC機(jī)進(jìn)行顯示，并存儲到NVRAM中供后續(xù)查詢操作。

5結(jié)束語

本文主要討論了ATmega128與ADT7516、SI8902的SPI通信過程，通過AVR Studio4.18和WinAVR軟件的配合使用，研究了兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)過程和注意點(diǎn)。該系統(tǒng)轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)換時間快速，可以滿足系統(tǒng)的要求。通過對各個通路電壓、電流的監(jiān)測可以有效地監(jiān)控電源管理模塊的工作狀態(tài)，有效的保護(hù)電源管理模塊對系統(tǒng)內(nèi)部其他模塊的供電需求。

參考文獻(xiàn)：

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