基于STM32的16位串行模數轉換器ADS8509的應用

路曉 張勇 言行果 吉耀輝 劉宜欣

摘要：隨著嵌入式技術的迅速發展，數據采集已成為控制電路中不可或缺的一部分，因此，數模轉化器和單片機被廣泛應用于各種控制電路中。ADS8509是德州儀器公司生產的16位串行模數轉換器。文章通過分析ADS8509的工作原理、接口特點及使用方法，給出了在內部時鐘模式下，ADS8509與STM32單片機的數據采集電路和相關程序代碼，得到基于STM32的ADS8509的使用方法。

關鍵詞：模數轉換器;數據采集;單片機;外圍電路;內部時鐘

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0009-03

1 引言

單片機是嵌入式系統中的核心部件[1]，STM32是意法半導體公司生產的一款微控制器產品系列的總稱[2]，本質上也是一款單片機。這款單片機吸取了其他單片機內部結構、外設等的優點，并做了一些重要的改變，主要是程序存儲器的可擦除次數，語句執行速度等。本文主要采用STM32F1系列單片機，它具有集成度高、低功耗、低成本、集成接口豐富、實時性強、處理速度快等優點[3-6]。

模數轉換器簡稱A/D轉換器或ADC，是指將模擬信號轉換成數字信號的電子元件，是現實世界中模擬量向數字量轉換的橋梁，是現代電子技術發展的關鍵[11-13]。目前有多種類型的A/D轉換器，有傳統的并行、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結構的逐次逼近寄存器型A/D轉換器，具有高速、相位誤差小、噪聲和漂移低、功耗低、易于生產等優點。

2 STM32及ADS8509主要性能及相關管腳說明

2.1 主要性能

STM32F1系列單片機采用ARM公司的高性能“Cortex-M3”內核，兼容5V的I/O管腳，內嵌復位電路、RC振蕩器，且外設接口豐富，如：串行調試和JTAG接口、DMA、A/D和D/A轉換器、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位串行數據輸出的高速模數轉換器，兼容模擬量輸入、串口輸出、SPI串行通信協議，最大非線性誤差小于±2LSB的A/D轉換器。采用CMOS技術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。數據輸出采集有內部時鐘和外部時鐘兩種參考基準，使用外部時鐘時，該芯片通過接收外部時鐘來實現數據采集傳輸，采用內部時鐘時，只要給控制信號，芯片會自己發送時鐘信號，進行傳輸。本電路以內部時鐘和電壓參考源為基準，采用二進制編碼方式輸出十六位串行數據。

2.2 管腳說明

單片機STM32管腳眾多，本文中用到的主要是其SPI接口和調試接口，因此只對這部分功能進行說明。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，其他均為數據線，它們的具體功能如下：

（1） NSS：從設備選擇線，也稱為CS。用于多個從設備共用SCK、 MOSI及 MISO三條信號線。當有多個SPI從設備時，所有從設備的三條信號線全部并聯在一起，共用三條數據線，但是有多少個從設備必須有多少個從設備選擇線，即片選信號線。片選信號低電平有效，即當該從設備的片選信號為低電平時，該從設備被選中與主機進行SPI通訊，變為高電平時，通訊結束。因為SPI協議中沒有設備地址，所以通過NSS信號來選擇通訊地址。

（2） SCK：SPI傳輸時鐘信號線，主要用于傳輸數據的同步。進行通訊時，不同設備具有不同的通信速率，它由通訊主機產生，主要決定了數據傳輸的速率。但是數據的傳輸的速率和兩個設備所能承受的最大傳輸速率都有關系，如STM32系列單片機SPI時鐘的最大頻率為fpclk/2，進行設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： 主設備輸出/從設備輸入引腳。這條線主要是用作數據傳輸的，由于STM32可以作為主設備也可以作為從設備，所以需要區分數據傳輸時，它接收還是發送，這條數據線代表主機用來輸出數據的信號線，因此這條信號線的方向為從主機到從機。

（4） MISO： 主設備輸入/從設備輸出引腳。與上面那條數據線相反，這條數據線的方向是從機到主機，這條信號線主要是用來接收數據的。

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行介紹：

SB/：用來選擇是用二進制輸出還是用二進制補碼形式輸出。該引腳電平為低時，用補碼形式輸出，為高時，用標準二進制輸出。

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

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

R/：用于芯片開始轉換的信號。檢測到該引腳低電平，啟動芯片AD轉換。

TAG：該芯片可以級聯，該引腳用于外部時鐘模式下選擇輸入端。

DATA：用于采集數據的輸出。

DATACLK：用于選擇芯片時鐘，同步數據輸出。在內部時鐘模式下，為時鐘輸出端;在外部時鐘模式下，為數據輸入端。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的轉換：和R/，一般情況下，始終保持低電平，這樣ADS8509的轉換和數據輸出都只由R/信號控制。采用外部時鐘模式還是內部時鐘模式由EXT/控制。

（1）內部時鐘模式：

當ADS8509片選信號保持低電平同時EXT/為低電平，采用內部時鐘模式。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內部的采樣—保持器進入保持狀態，同時啟動轉換并將上一次的轉換結果通過DATA引腳輸出。其中輸出數據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，讀的是上一次轉化的數據，數據與外部輸入時鐘同步移入DATA引腳中。讀數據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的。顧名思義，間斷的外部時鐘就是需要讀取數據的時候就給外部時鐘，連續的外部時鐘是一直給外部時鐘。考慮到靈活性和穩定性一般采用間斷模式，即需要讀數據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STM32接口的應用電路

5 結語

本文詳細描述了ADS8509芯片的性能及工作原理。設計了在內部時鐘模式下，ADS8509與STM32單片機硬件接口的數據采集電路，同時給出了程序代碼，得到正確使用該數模轉換器ADS8509的方法。此外，ADS8509的控制引腳，很容易受到外部信號的干擾，設計電路時應做好相應的濾波處理，同時注意采樣速率，過快的采樣速率，容易導致數據出現亂碼。

參考文獻：

[1] 曾堯.基于STM32的智能小車循跡優化設計[J].機械工程師，2022（1）：25-27.

[2] 王勇，李紹銘，賈茂盛，等.基于STM32的學習型紅外遙控器[J].工業控制計算機，2021，34（12）：139-140，143.

[3] 康健，袁志鋼，陳靜，等.基于STM32的消防物聯網網關設計[J].工業控制計算機，2021，34（12）：118-119，149.

[4] 朱衍明，林九根，宋家平，等.基于嵌入式系統STM32的UUV通用運動控制層設計[J].計算機測量與控制，2021，29（12）：120-125.

[5] 劉軍.基于STM32的智能灌溉控制系統設計[J].農機化研究，2022，44（10）：181-184.

[6] 未慶超，李振玲，商城超，等.伺服控制裝置的STM32與FPGA通信模塊設計[J].電子技術，2021，50（12）：4-6.

[7] 陳舒生，李榮浩，張曉龍.基于STM32F103的一種新型前混式商用燃氣爐控制系統[J].科技風，2021（35）：25-27.

[8] 趙嘉豪，葉梁杰，羅心韻，等.基于STM32的光電搬運機器人設計與試驗[J].機械制造與自動化，2021，50（6）：158-161，165.

[9] 劉天成，田學軍.基于ESP8266與STM32的智能晾衣桿系統設計[J].山西電子技術，2021（6）：6-10.

[10] 鄭爭兵，韓團軍，王桂寶.基于STM32的高精度電能測量系統設計[J].現代電子技術，2021，44（24）：29-33.

[11] 郭夏夏，俞水鋒，田社平.基于PIC18F4550的USB數據采集系統的設計及應用[J].計量技術，2013（5）：34-37.

[12] 古利.FPGA+ADS8509在高速預檢儀表中的應用[J].衡器，2013，42（1）：21-25.

[13] 劉偉，王汝琳，張守祥，等.基于DSP和ADS8509的煤矸石振動信號實時采集[J].煤礦機械，2009，30（7）：197-199.

[14] 安艷.基于DSP的主動型氫鐘腔自動調諧系統設計[D].上海：中國科學院研究生院（上海天文臺），2007.

[15] 吳星明.AD8509/AD8511 9和11通道多路轉換輸入LCD基準電壓驅動器的特點及應用[J].電子技術應用，1998，24（8）：69-70.

收稿日期：2022-01-06

作者簡介：路曉（1993—），女，山西大同人，設計師，碩士，主要研究方向為驅動控制。6614696C-949E-448D-B7F8-D701A45A26B1