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技术文章—操纵MCU SPI接口以访问非标准SPI ADC
发布时间:2020-01-13 07:32

  当前许多精密模数转换器(ADC)具有串行外设接口(SPI)或某种串行接口,用以与包括微控制器单元(MCU)、DSP和FPGA在内的控制器进行通信。控制器写入或读取ADC内部寄存器并读取转换码。SPI的印刷电路板(PCB)布线简单,并且有比并行接口更快的时钟速率,因而越来越受欢迎。而且,使用标准SPI很容易将ADC连接到控制器。

  一些新型ADC具有SPI,但有些ADC具有非标准的3线线SPI作为从机,因为它们希望实现更快的吞吐速率。例如,AD7616、AD7606和AD7606B系列有两条或四条SDO线,在串行模式下可提供更快的吞吐速率。AD7768、AD7779和AD7134系列有多条SDO线,用作SPI主机。用户在设计微控制器SPI以配置ADC和读取代码时往往会遇到困难。

  SPI是一种同步、全双工、主从式接口。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。图2显示了典型的4线MCU SPI接口连接。

  要开始SPI通信,控制器必须发送时钟信号,并通过使能信号(通常是低电平有效信号)来选择ADC。SPI是全双工接口,因此控制器和ADC可以分别通过MOSI/DIN和MISO/DOUT线同时输出数据。控制器SPI接口允许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。为了在主机和从机之间进行可靠的通信,用户必须遵守微控制器和ADC芯片的数字接口时序规范。

  如果微控制器SPI和ADC串行接口具有标准SPI时序模式,那么用户设计PCB布线和开发驱动器固件不成问题。但是,有些新型ADC的串行接口端口不是典型的SPI时序模式。MCU或DSP似乎不可能通过AD7768串行端口(一种非标准时序SPI端口)读取数据,如图4所示。

  本文将介绍操纵标准微控制器SPI以便与具有非标准SPI端口的ADC接口的方法。

  解决方案1:MCU作为SPI从机,通过一条DOUT线与作为SPI主机的ADC接口。

  解决方案2:MCU作为SPI从机,通过两条DOUT线与作为SPI主机的ADC接口。

  解决方案3:MCU作为SPI从机,通过DMA与作为SPI主机的ADC接口。

  解决方案4:MCU作为SPI主机和SPI从机,通过两条DOUT线读取数据。

  STM32Fxxx系列微控制器广泛用于很多不同的应用中。该MCU有多个SPI端口,可以使用典型的SPI时序模式将其配置为SPI主机或从机。下文中介绍的方法也可应用于其他具有8位、16位或32位帧的微控制器。

  AD7768/AD7768-4分别为8通道和4通道同步采样Σ-Δ型ADC,每通道均有Σ-Δ型调制器和数字滤波器,支持交流和直流信号的同步采样。这些器件在110.8 kHz的最大输入带宽下实现了108 dB动态范围,具备±2 ppm INL、±50µV偏置误差和±30 ppm增益误差的典型性能。AD7768/AD7768-4用户可在输入带宽、输出数据速率和功耗之间进行权衡,并选择三种功耗模式之一以优化噪声目标和功耗。AD7768/AD7768-4的灵活性使其成为适合低功耗直流和高性能交流测量模块的可重复使用平台。遗憾的是,AD7768的串行接口不是典型SPI时序模式,而且AD7768充当串行接口主机。一般而言,用户必须使用FPGA/CPLD作为其控制器,

  例如,使用32F429IDISCOVERY和AD7768评估板。变通SPI线所示。在这种设置下,AD7768的所有八通道数据仅通过DOUT0输出。

  解决方案1:MCU SPI作为从机,通过一条DOUT线与SPI主机ADC接口

  当软件处于中断模式时,DCLK运行速率可以高达4 MHz,实现8 kSPS的ODR。软件应进入中断处理程序,在一个半DCLK周期(375 ns)内启动SPI。为使软件更轻松地进入中断例程,MCU可以在DCLK上升沿读取数据,从而提供额外的半个DCLK周期时间。但是,t5 DCLK上升到DOUTx无效最小值为–3 ns(IOVDD = 1.8 V时为–4 ns),因此DOUTx上的传播延迟(

  解决方案2:MCU SPI作为从机,通过两条DOUT线与SPI主机ADC接口

  在第一种解决方案中,仅使用DOUT0来输出所有8通道数据。因此,数据读取将ADC吞吐速率限制为8 kSPS。如图1所示,在DOUT0上输出通道0至通道3,在DOUT1上输出通道4至通道7,可以减少数据传输时间。串行线所示。通过这种改进,在DCLK为4 MHz时,ODR可以轻松达到16 kSPS。

  AD7606B是一款16位同步采样模数转换数据采集系统(DAS),具有八个通道,每个通道均包含模拟输入箝位保护、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器和16位逐次逼近寄存器(SAR)型ADC。AD7606B还内置灵活的数字滤波器、低漂移2.5 V精密基准电压源和基准电压缓冲器,可驱动ADC及灵活的并行和串行接口。AD7606B采用5 V单电源供电,支持±10 V、±5 V和±2.5 V真双极性输入范围,所有通道均能以800 kSPS的吞吐速率采样。

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