基于AVR單片機的SPI接口設計與實現

楊啟帆+趙臘才

摘要：利用AVR單片機和SPI接口在硬件、軟件設計上的便利性，以ATmega128MCU與ADT7516、SI8902模數轉換芯片之間的硬件設計和通信過程為基礎，實現了電源監(jiān)控電路中的參數采集和智能控制功能。測試表明SPI接口通信正常，AVR單片機控制穩(wěn)定，滿足對電源輸出電路的實時監(jiān)視和控制要求。同時給出了ATmega128芯片SPI接口的配置過程，以及模數轉換芯片的配置過程、通信時序的實現方法。

關鍵詞：串行外設接口；AVR單片機；模數轉換器；數據采集；嵌入式系統

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

1 引言

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）是由Motorola公司設計的一種串行接口，具有電路簡單、通信可靠、控制容易、通信速率快等優(yōu)點，在嵌入式系統中應用廣泛，單片機生產商包括Atmel、TI、MICROCHIP、FREESCALE等公司均提供具有SPI接口的單片機（MCU），允許MCU與各種外圍接口設備以串行方式通信；同時各接口供應商提供了豐富的SPI外圍接口產品，包括：LCD模塊，Flash/EEPROM存儲器，以及數模/模數轉換器等器件。

下面以Atmel公司的ATmega128 MCU為例，利用其SPI接口對外圍溫控模數轉換器（ADC） ADT7516、隔離模數轉換器（ADC）SI8902進行參數配置和數據采集，實現對電源供電的管理，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 硬件電路設計

2.1 ATmega128串行外設接口（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，功能強大；結合多種監(jiān)測電路，極大增強了嵌入式系統的可靠性；ATmega128提供了一個串行外設接口（SPI），它包括兩條數據線：主機輸出從機輸入（MOSI），主機輸入從機輸出（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接口的主控制設備，兩種ADC芯片完全受ATmega128芯片的控制。

2.2 電路設計

電源供電管理電路實現直流電流12V、3.3V電壓和電流等共16路參數檢測，以及隔離28V電源電壓和電流參數監(jiān)測，設計中共采用了4片ADT7516、2片SI8902實現參數的模數轉換。電路中，TPS24720（8片）和TPS2490配合ATmega128輸出的控制信號用于對相應電源通路的通斷控制，FM25H20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備進行通信，對于多個SPI從設備，采用三八譯碼器74LVC138實現多個從設備的片選使能，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，對應關系如表1所示

3軟件實現

軟件設計包括ATmega128及從設備的初始化，以及參數采集和數據處理。

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ADC的初始化配置，從而控制ADC對模擬信號進行轉換，轉換結束后，將轉換結果通過SPI接口回讀到MCU。MCU對不同路電壓、電流值按照預設的范圍進行判斷，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接口有關的寄存器有控制寄存器（SPCR）、狀態(tài)寄存器（SPSR）和數據寄存器（SPDR），這三個寄存器都為8位寄存器，通過對各寄存相應比特位的配置，可以實現對SPI接口的控制。軟件設計中采用查詢標志位的方式完成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對應管腳初始化為輸出，默認的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

SPCR |= （1<

ATmega128初始化SPI接口時應該注意以下幾點：

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，FM25H20同樣適用；

b. 當使能了SPI接口后，ATmega128并沒有自動強制轉換SPI接口的四個引腳的工作方式，因此應該將MISO配置成輸入管腳，MOSI、SCK和SS配置成為輸出管腳；

c. 當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，因此使用時應該根據各被控芯片的SPI協議編程控制SS。

3.2 ADT7516數據通信

ADT7516是 Analog Devices公司推出的一款多功能轉換器件，包括四通道10位ADC， 10位溫度數字轉換器，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、電流進行采集。

ADT7516工作模式默認下為I2C接口，初始化時需要先將通信接口轉為SPI；其次，該芯片為了區(qū)分讀寫操作，在地址、指令和數據通信之前，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，只允許存在讀、寫命令碼中的一種。

設計中ADT7516初始化為Single-channel模式，采用Vdd為參考電壓，因此模數轉換精度為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傳輸的Data1和Data2進行相應比特的組合得到10位轉換結果。

其中，SS線的連續(xù)高低變換的目的是將默認的I2C接口轉換為所需的SPI接口；Tc為模數轉換時間，ADT7516需要滿足Tc>=11.4ms的要求；當ATmega128發(fā)送讀指令后，ADT7516需要ATmega128提供的時鐘才能將轉換結果發(fā)送給ATmega128，因此讀指令后面數據0X00的發(fā)送只是為了提供SPI總線時鐘，從設備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<

實驗過程中采用電子負載設備模擬實際系統中電壓、電流，測試結果如表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輸出的電壓進行測量后轉換為對應的電流值。

3.3 SI8902數據通信

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模數轉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)送配置數據，在等待一定的轉換時間后，ATmega128讀取轉換后的數據；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，因此模數轉換精度為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)送轉換結果之前會將ATmega128發(fā)送的配置數據傳送到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在進入ATmega128后進行相應比特的組合得到10位轉換結果。

其中，Tc為模數轉換時間，ADT7516需要滿足Tc>=8us的要求；MOSI線上發(fā)送的三字節(jié)0XFF數據是為了提供時鐘給MISO線，從而保證ATmega128讀取轉換結果，0XFF的選取需要排除SI8902已存在配置數據。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<

實驗過程中采用電子負載設備模擬實際系統中電壓、電流，測試結果如表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輸出的電壓進行測量后轉換為對應的電流值。

4數據處理

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、電流轉換結果進行邏輯運算控制通斷狀態(tài)。為了滿足控制的實時性，采樣出的一組轉換結果立馬和設定好的上下門限進行比較，輸出通斷控制信號ON/OFF，此后再使能剩余的模數轉換器。當轉換結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輸出相應電源通路。根據系統的需求，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，兩種方式結合增強了對該通路的監(jiān)控和系統的保護。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機進行顯示，并存儲到NVRAM中供后續(xù)查詢操作。

5結束語

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，研究了兩種模數轉換芯片驅動程序的設計過程和注意點。該系統轉換結果準確，轉換時間快速，可以滿足系統的要求。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)，有效的保護電源管理模塊對系統內部其他模塊的供電需求。

參考文獻：

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[2] Analog Devices，Inc. ADT7516 Datasheet [OL]. http：//www.analog.com.

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