A／D转换器CS5550与单片机的接口程序设计

摘要：分析双通道低成本A／D转换器CS5550的接口特点，以ATmegal6单片机为例设计CS5550与单片机的接口电路。经过对ATmegal6单片机SPI口的分析，详细讨论使用硬件SPI接口和软件模拟SPI两种方式的程序设计，并给出相应的软件流程图。最后对CS5550的两种接口方式进行比较。
关键同：模数转换器；CS5550；单片机；接口程序

    现代智能化仪器仪表中A／D转换器和单片机是重要组成部分。串行MD转换器的串口信号线数目较少，在数据采样速率较低的系统中有利于降低硬件间连线的复杂度，节省单片机的接口资源。在CS5550的性能特点及其片上串行接口的基础上，给出CS5550与单片机的接口程序设计方案。

1 CS5550的主要性能及接口特点
    CS5550是Cirrus Logic公司推出的一款双通道低成本△-∑型A／D转换器，内部集成有2个△-∑A／D转换器、2个放大器、1个串行接口以及1个温漂为25 ppm／℃的2．5 V参考电压源。CS5550在两个通道上都具有24位寄存器，其中通道1具有13位有效位，通道2具有10位有效位口。
    CS5550片上集成有1个双向数字串行接口，包括(片选信号)、SDI(数据输入)、SDO(数据输出)和SCLK(串行时钟)4条控制线。该串口与标准SPI接口协议兼容，可与带有SPI接口的单片机传输数据。另外，CS5550还有一个中断输出引脚，可通过配置其屏蔽寄存器(Mask Register)来设定中断，并可通过软件修改配置寄存器中的“IMODE IINV”位来决定中断的产生方式(高／低电平或上升／下降沿有效)。

2 单片机的SPI接口与CS5550连接
    SPI接口是由Motorola公司最先推出的，目前很多型号的单片机都集成有SPI接口，如ATMEL公司的ATmega8、PIC公司的PICl6F877、Analog Devices公司的ADuC812等。用户可使用单片机所提供的SPI接口与CS5550直接连接。这里以ATmegal6单片机为例讨论使用单片机的SPI接口实现读写CS5550的操作。
2．1 ATmegal6的SPI接口及其与CS5550的连接
    ATmegal6单片机内部的SPI接口可完成全双工、3线同步数据传输。它支持主／从机操作模式，作为主机时具有倍速模式(CK／2)；具有写碰撞标志检测、传输结束中断标志、7种可编程的比特率，并可设置LSB或MSB首先发送。在实际使用该SPI接口时，需要将MOSI(主机输出从机输入)、MISO(主机输入从机输出)、SCK(串行时钟)、(从机选择)引脚依次与CS5550的SDI、SDO、SCLK、引脚相连，如图1所示。

    ATmegal6单片机中与SPI接口相关的寄存器有3个： SPCR(SPI控制寄存器)、SPSR(SPI状态寄存器)、SPDR(SPI数据寄存器)。其中，SPCR寄存器设置SPI接口的中断、数据顺序、主／从模式及串行时钟的相关特性；而SPSR寄存器中包括有SPI中断标志位(SPIF)、写碰撞标志位和倍速模式选择位，SPSR中的SPIF位将在SPI接口串行数据发送完成时置“l”，若此时用户已使能SPI接口中断且全局中断被打开。则会产生SPI接口中断。应该指出的是，在SPI接口数据接收完成时该SPIF位不会被置“1”，即没有接收结束标志位。串行时钟的产生由硬件自动完成；每当有新数据写入SPDR寄存器中，SPI接口会自动产生SCK信号将SPDR中的数据发送出去，同时将读取的数据存入SPDR的缓冲寄存器中。
2．2软件设计
    对CS5550的所有操作都是通过读写ATmegal6单片机的内部寄存器来完成的。在使用单片机的SPI接口之前，要对其进行初始化。这里采用查询方式来发送数据，故将SPCR中的最高位SPIE置“0”，禁止中断。使能SPI接口(SPE=1)。因CS5550的数据传输为MSB首先发送，故使DORD=O。将ATmegal6选择为主机模式(MSTR=1)。选择SPI工作模式0(CPOL=0，CPHA=0)。配置串行时钟设置为单片机晶振频率的1／16(SPRl=0，SPR0=1)。综合以上对SPCR各位的分析，应配置SPCR=Ox5l。另外还要对SPI接口相应的引脚方向进行配置：定义MOSI为输出、MISO为输入(SPI主机模式下由硬件自动配置为输入)，SCLK为输出、为输出，SPI接口初始化后就可以与CS5550通信。
    由于直接采用单片机的SPI接口读写CS5550，字节中每一位的发送／接收均由硬件完成，这样可简化控制和数据采集程序：向CS5550发送命令字节时只需将其直接写入SPDR寄存器即可；而读取返回数据时只需读取SPDR寄存器即可。为使SPI通信能够可靠、稳定地运行，这里有两个问题需要注意：一个问题是在向SPDR寄存器写数据之前，应首先查询SPSR寄存器中的SPIF位，以确保发送中的数据不会被新写入的数据所破坏。用C语言编写程序时可以使用类似的“while(!SPSR_SPIF)：”的形式等待数据发送结束；另一个问题是，由于ATmegal6单片机的SPI接口无接收结束标志位，在读取SPDR寄存器之前应插入延时程序以确保读回数据的完整性和准确性。该程序流程如图2所示。

3 使用软件模拟SPI接口
    在实际应用中，可能会出现所选用的单片机没有集成SPI接口或是SPI接口被其他功能所占用而又仍然需要使用SPI协议与外围器件通信的情况，这时就必须采用软件模拟的方式来实现SPI通信。一般来说，可以使用单片机的任何4个I／O接口与CS5550连接。但为便于与前一种方法(使用硬件SPI接口)进行比较，这里仍采用图1所示的电路连接方式。在编写SPI接口程序前，要对使用到的I／O端口进行配置：PB5为输出(MOSI)，PB6为输入(MISO)，PB7为输出(SCK)，PB4为输出()。其中PB7端口初值为“0”，PB4端口初值为“l”。为了模拟SPI数据寄存器，这里定义3个unsigned char型变量SPI_transmit_buffer、SPI_receive_buffer和trans-mit_counter分别用来存放需要发送的数据、接收到的数据和已发送数据的位数。每一位数据的发送接收必须严格按照CS5550数据手册上的时序要求来编写，否则会造成数据传输错误。CS5550的读写时序如图3所示。

    从图3及其数据手册中的相关说明可知。CS5550读取SDI线上的命令发生在SCK的上升沿，而其会在SCK下降沿发生后20 ns(典型值)之内将下一位数据发送到SDO线上。根据以上分析，可以得到图4所示的SPI接口函数编写流程。

    若仍以实现CS5550单次转换、单片机读取其数据寄存器为例，则CS5550的采集函数编写流程图与第3部分中的图2相同，只需要利用这个软件模拟的SPI接口函数替换前面流程中对SPDR寄存器的读写即可。

4 硬件设计与软件模拟SPI接口的比较
    从上述讨论看出，硬件SPI接口的工作独立于CPU内核，这使得SPI数据的收发与CPU内核运算并行执行，提高单片机的工作效率。由于数据的收发完全由硬件完成，软件的编写不涉及具体收发细节，程序简单、速度快。而采用软件模拟实现SPI接口的方法则具有端口定义灵活、使用方便的特点。可以在不增加硬件成本的情况下，给不含SPI接口的单片机增加SPI通信功能。但软件模拟SPI需要占用CPU处理时间，故一般只在通信数据量不太大的情况下使用。

5 结束语
    模数转换器和单片机在智能化仪表的应用广泛，本文讨论的CS5550与单片机的两种接口方式具有普遍意义，对其他类似的设计提供参考。目前，以上两种方法均已被应用到某基于CS5550的工业测温仪表中，取得较好效果。