Steven Xie

目前許多精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 具有串行外設(shè)接口 （SPI） 或一些串行接口，用于與微控制器單元 （MCU）、DSP 或 FPGA 等控制器通信。控制器寫入或讀取ADC內(nèi)部寄存器并讀取轉(zhuǎn)換代碼。SPI因其簡單的印刷電路板（PCB）布線和與并行接口相比更快的時鐘速率而變得越來越流行。而且，使用標(biāo)準SPI可以輕松地將ADC連接到控制器。

一些新型ADC具有SPI，但其他ADC具有非標(biāo)準的3線或4線SPI作為節(jié)點，因為它們希望實現(xiàn)更快的吞吐速率。例如，AD7616、AD7606和AD7606B系列具有兩條或四條SDO線路，可在串行模式下實現(xiàn)更快的吞吐速率。 AD7768、AD7779和AD7134系列具有多條SDO線路，用作SPI電源。 用戶在設(shè)計用于ADC配置和代碼讀取的微控制器SPI時往往會遇到困難。

圖1.AD7768作為串行主電源，具有兩個數(shù)據(jù)輸出引腳（14001-193）。

與 ADC 的標(biāo)準 MCU SPI 連接

SPI 是一個同步、全雙工、基于主/節(jié)點的接口。來自主節(jié)點或節(jié)點的數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿同步。主節(jié)點和節(jié)點可以同時傳輸數(shù)據(jù)。圖2顯示了一個典型的4線MCU SPI接口連接。

圖2.與 ADC 節(jié)點的標(biāo)準 MCU SPI 連接。

要開始SPI通信，控制器必須發(fā)送時鐘信號，并通過使能CS信號（通常是低電平有效信號）來選擇ADC。由于SPI是全雙工接口，控制器和ADC可以分別通過MOSI/DIN和MISO/DOUT線路同時輸出數(shù)據(jù)?？刂破鱏PI接口使用戶能夠靈活地選擇時鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)主節(jié)點之間的可靠通信，用戶必須遵循微控制器和ADC芯片的數(shù)字接口時序規(guī)范。

圖3.SPI數(shù)據(jù)時鐘時序圖示例。

如果微控制器SPI和ADC串行接口具有標(biāo)準的SPI定時模式，則用戶設(shè)計PCB布線和開發(fā)驅(qū)動固件不是問題。但也有一些新的ADC具有串行接口端口，這不是典型的SPI時序模式。MCU或DSP似乎不可能通過AD7768串行端口（非標(biāo)準時序SPI端口）讀取數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4.AD7768 格式x = 1×?xí)r序圖輸出，僅采用DOUT0。

本文將介紹操作標(biāo)準微控制器SPI以與具有非標(biāo)準SPI端口的ADC接口的方法。

本文將介紹通過串行接口讀取ADC代碼的四種不同解決方案：

解決方案1：MCU作為SPI節(jié)點，通過一條DOUT線與作為SPI主線的ADC接口。

解決方案2：MCU作為SPI節(jié)點，通過兩條DOUT線路與作為SPI主線的ADC接口。

解決方案3：MCU作為SPI節(jié)點，通過DMA與作為SPI主器件的ADC接口。

解決方案4：MCU作為SPI主節(jié)點和SPI節(jié)點，用于讀取兩條DOUT線路上的數(shù)據(jù)。

AD7768 使用STM32F429微控制器SPI通過一條DOUT線讀取代碼

如圖4所示，當(dāng)FORMATx = 11或10時，通道0至通道7僅在DOUT0上輸出數(shù)據(jù)。在標(biāo)準模式下，AD7768/AD7768-4作為主器件工作，并將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)組CU、DSP或FPGA。AD7768/AD7768-4為節(jié)點器件提供數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)時鐘（DCLK）和下降沿成幀信號（DRDY）。

STM32Fxxx系列微控制器廣泛用于許多不同的應(yīng)用。MCU具有多個SPI端口，可配置為具有典型SPI定時模式的SPI主節(jié)點或節(jié)點。以下會話中介紹的方法也可以應(yīng)用于具有 8 位、16 位或 32 位幀的其他微控制器。

AD7768/AD7768-4分別具有8通道和4通道同步采樣Σ-Δ型ADC，每通道具有Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾波器，可實現(xiàn)交流和直流信號的同步采樣。它們在 108.110 kHz 的最大輸入帶寬下實現(xiàn)了 8 dB 的動態(tài)范圍，并具有 ±2 ppm INL、±50 μV 失調(diào)誤差和 ±30 ppm 增益誤差的典型性能。AD7768/AD7768-4用戶可以權(quán)衡輸入帶寬、輸出數(shù)據(jù)速率和功耗，并從三種功耗模式中選擇一種來優(yōu)化噪聲目標(biāo)和功耗。AD7768/AD7768-4的靈活性使其成為低功耗直流和高性能交流測量模塊的可重復(fù)使用平臺。遺憾的是，AD7768的串行接口不是典型的SPI時序模式，AD7768用作串行接口主接口。通常，用戶必須使用FPGA/CPLD作為其控制器。

例如，使用32F429IDISCOVERY和AD7768評估板。解決方法SPI導(dǎo)線的連接如圖5所示。在此設(shè)置中，所有7768個AD0通道數(shù)據(jù)輸出僅由DOUT<>供電。

圖5.AD7768將DOUT0上的數(shù)據(jù)輸出到STM32F429 MCU SPI連接。

需要解決的問題：

AD7768用作SPI主器件，因此STM32F429I SPI必須配置為SPI節(jié)點。

DRDY高脈沖只是DCLK持續(xù)時間的一個周期，不是典型的CS。

DCLK連續(xù)輸出，當(dāng)所有通道數(shù)據(jù)位輸出完成后，DRDY為低電平。

圖6.AD7768數(shù)據(jù)位在時序解決方案中讀取。

解決方案1：MCU SPI作為通過一條DOUT線與SPI主ADC接口的節(jié)點

配置其中一個STM32F429是SPI端口（如SPI4）作為節(jié)點，以在DCLK的MOSI上接收數(shù)據(jù)位。

將AD7768 DRDY連接到STM32F429外部中斷輸入引腳EXTI0和NSS （SPI CS）引腳。DRDY 的上升沿將觸發(fā) EXTI0 處理程序例程，以使 SPI 節(jié)點能夠在 DRDY 變?yōu)榈碗娖胶箝_始從第一個 DCLK 下降沿接收數(shù)據(jù)位。時序設(shè)計在這里至關(guān)重要。

收到從通道0到通道7的所有數(shù)據(jù)后，應(yīng)禁用SPI，以防止讀取額外的無效數(shù)據(jù)，因為DRDY使SPI節(jié)點CS為低電平，DCLK不斷切換。

MCU 固件開發(fā)說明

圖7.配置 SPI4 外設(shè)。

當(dāng)軟件處于中斷模式時，DCLK 可以運行高達 4 MHz，并實現(xiàn) ODR 8 kSPS。軟件應(yīng)進入中斷處理程序，在一個半DCLK周期（375 ns）內(nèi)啟動SPI。為了更容易地使軟件進入中斷例程，MCU可以在DCLK上升沿讀取數(shù)據(jù)，這可以額外提供半個DCLK周期時間。但是，由于5DCLK 上升到 DOUTx 無效的最小值為 –3 ns（IOVDD = 4.1 V 時為 –8 ns），傳播延遲 （>|t5|+ MCU 保持時間）在 DOUTx 上應(yīng)通過 PCB 布線或緩沖區(qū)添加。

解決方案2：MCU SPI作為通過兩條DOUT線與SPI主ADC接口的節(jié)點

在第一個解決方案中，僅使用DOUT0輸出所有8通道數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)讀取將ADC吞吐速率限制為8 kSPS。如圖1所示，DOUT0上的通道3至通道0輸出和DOUT4上的通道7至通道1輸出可以縮短數(shù)據(jù)傳輸時間。串行線的連接如圖7所示。通過這樣的改進，ODR 在 DCLK 16 MHz 時可以輕松達到 4 kSPS。

圖8.AD7768將DOUT0和DOUT1上的數(shù)據(jù)輸出到STM32F429 MCU SPI連接。

固件可以使用輪詢模式而不是中斷模式來減少DRDY上升沿觸發(fā)的時間延遲，從而使SPI能夠接收數(shù)據(jù)。這可以在DCLK 32 MHz下實現(xiàn)ODR 8 kSPS。

圖9.輪詢模式下的EXTI0以及DOUT4和DOUT5上的SPI7768和SPI0接收AD1數(shù)據(jù)位。

解決方案3：MCU SPI作為通過DMA與SPI主ADC接口的節(jié)點接口

直接內(nèi)存訪問 （DMA） 用于在外設(shè)和內(nèi)存之間以及內(nèi)存和內(nèi)存之間提供高速數(shù)據(jù)傳輸。DMA 可以快速移動數(shù)據(jù)，無需任何 MCU 操作。這使 MCU 資源可用于其他操作。以下是MCU SPI作為節(jié)點通過DMA接收數(shù)據(jù)的設(shè)計說明。

圖 10.輪詢模式下的EXTI0和DOUT4上的SPI7768 DMA接收AD0數(shù)據(jù)位。

解決方案4：MCU SPI作為主節(jié)點和節(jié)點，在兩條DOUT線路上讀取數(shù)據(jù)

高吞吐量或多通道精密ADC為SPI端口提供2條、4條甚至8條SDO線，可在串行模式下縮短代碼讀取時間。對于具有兩個或更多SPI端口的微控制器，它們可以同時運行SPI端口，以加快代碼讀取速度。

在以下用例中，32F429IDISCOVERY使用SPI4作為SPI主節(jié)點，SPI5作為SPI節(jié)點，以接收DOUTA和DOUTB上的EVAL-AD7606B-FMCZ數(shù)據(jù)，如圖8所示。

AD7606B是一款16位同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），具有16個通道，每個通道包含模擬輸入箝位保護、可編程增益放大器（PGA）、低通濾波器和7606位逐次逼近寄存器（SAR）ADC。AD2B還內(nèi)置一個靈活的數(shù)字濾波器、低漂移、5.7606 V精密基準電壓源和基準電壓緩沖器，用于驅(qū)動ADC，以及靈活的并行和串行接口。AD5B采用10 V單電源供電，所有通道均以5 kSPS吞吐速率采樣時，支持±2 V、±5 V和±800.<> V真雙極性輸入范圍。

圖 11.在主模式和節(jié)點模式下使用的MCU SPI，用于接收DOUTA和DOUTB上的數(shù)據(jù)。

圖 12.將 SPI4 配置為主節(jié)點，將 SPI5 配置為節(jié)點。

圖13顯示了AD7606B以240 kSPS運行的BUSY、SCLK、DOUTA和DOUB的數(shù)字接口捕獲。

圖 13.AD7606B忙、SCLK的示波器捕獲以及DOUTA和DOUTB上的數(shù)據(jù)。

結(jié)論

本文討論了使用微控制器SPI訪問具有非標(biāo)準SPI接口的ADC的方法。這些方法可以直接使用，也可以稍作調(diào)整來控制ADC SPI，ADC SPI可用作SPI主電源或多條DOUT線路，以實現(xiàn)更快的吞吐速率。

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