广告

操纵MCU SPI接口以访问非标准SPI AD

2020-01-08 16:28:02 Steven Xie,ADI公司产品应用工程师 阅读:
问题:能否用MCU访问非标准SPI接口? 答案:可以,但可能需要做一些额外的努力。

简介

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。731ednc

一些新型ADC具有SPI,但有些ADC具有非标准的3线或4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。731ednc

731ednc

1.AD7768用作串行主机,具有两个数据输出引脚(14001-193)731ednc

与ADC的标准MCU SPI连接

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。731ednc

731ednc

2.ADC从机的标准MCU SPI连接731ednc

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。731ednc

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。731ednc

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。731ednc

本文会给出四种通过串行接口读取ADC码的解决方案:731ednc

  • 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。

731ednc

3.SPI数据时钟时序图示例731ednc

731ednc

4.AD7768 FORMATx = 1×时序图仅通过DOUT0输出。731ednc

STM32F429微控制器SPI通过一条DOUT线读取AD7768代码

如图4所示,当FORMATx = 11或10时,通道0至通道7仅通过DOUT0输出数据。在标准工作模式下,AD7768/AD7768-4作为主机工作,数据流入MCU、DSP或FPGA。AD7768/AD7768-4向从机提供数据、数据时钟(DCLK)和下降沿帧使能信号(DRDY)。731ednc

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。731ednc

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、±50 µV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,731ednc

例如,使用32F429IDISCOVERY和AD7768评估板。变通SPI线的连接如图5所示。在这种设置下,AD7768的所有八通道数据仅通过DOUT0输出。731ednc

731ednc

5.AD7768通过DOUT0将数据输出到STM32F429 MCU SPI连接731ednc

需要解决的问题:731ednc

  • AD7768用作SPI主机,故必须将STM32F429I SPI配置为SPI从机。
  • 高电平脉冲只持续一个DCLK周期,这不是典型的。
  • 完成所有通道数据位的输出之后,DCLK继续输出,为低电平。

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

  • 将STM32F429的一个SPI端口(如SPI4)配置为从机,以DCLK速率接收MOSI上的数据位。
  • 将AD7768 连接到STM32F429外部中断输入引脚EXTI0和NSS (SPI )引脚。 的上升沿将触发EXTI0处理例程,以使SPI从机能够在变为低电平之后的第一个DCLK下降沿开始接收数据位。时序设计在这里至关重要。
  • 接收到通道0至通道7的所有数据后,应禁用SPI以防止读取额外的无效数据,因为会使SPI从机变为低电平,并且DCLK保持切换。

731ednc

6.时序解决方案中的AD7768数据位读取731ednc

MCU固件开发注意事项

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(>|t5| + MCU保持时间)应通过PCB布线或缓冲增加。731ednc

731ednc

7.配置SPI4外设731ednc

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。串行线的连接如图7所示。通过这种改进,在DCLK为4 MHz时,ODR可以轻松达到16 kSPS。731ednc

731ednc

8.AD7768通过DOUT0DOUT1将数据输出到STM32F429 MCU SPI连接731ednc

固件可以不使用中断模式,而使用轮询模式,以减少从上升沿触发到使能SPI接收数据的时间延迟。这样可以在DCLK为8 MHz时实现32 kSPS的ODR。731ednc

解决方案3:MCU SPI作为从机,通过DMA与SPI主机ADC接口

直接存储器访问(DMA)用于在外设与存储器之间以及存储器与存储器之间提供高速数据传输。DMA可以迅速移动数据而不需要任何MCU操作,这样可以腾出MCU资源用于执行其他操作。下面是MCU SPI用作从机通过DMA接收数据的设计说明。731ednc

解决方案4:MCU SPI作为主机和从机,通过两条DOUT线读取数据

高吞吐量或多通道精密ADC为SPI端口提供两条、四条甚至八条SDO线,以在串行模式下更快地读取代码。对于具有两个或更多个SPI端口的微控制器,这些SPI端口可以同时运行以加快代码的读取。731ednc

731ednc

9.EXTI0处于轮询模式,SPI4SPI5通过DOUT0DOUT1接收AD7768数据位。731ednc

731ednc

10.EXTI0处于轮询模式SPI4 DMA通过DOUT0接收AD7768数据位。731ednc

在以下使用案例中,32F429IDISCOVERY使用SPI4作为SPI主机,SPI5作为SPI从机,通过DOUTA和DOUTB接收EVAL-AD7606B-FMCZ数据,如图8所示。731ednc

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。731ednc

731ednc

11.在主从模式下使用MCU SPI通过DOUTADOUTB接收数据731ednc

731ednc

12.SPI4配置为主机,SPI5配置为从机。731ednc

图13显示了AD7606B以240 kSPS运行时BUSY、SCLK、DOUTA和DOUB的数字接口截图。731ednc

731ednc

13.AD7606B BUSYSCLK以及DOUTADOUTB上的数据的示波器截图731ednc

结论

本文讨论了使用微控制器SPI访问具有非标准SPI接口的ADC的方法。这些方法可以直接使用,也可以稍加调整即可控制ADC SPI;其可作为SPI主机使用,也可以与多条DOUT线配合使用以提高吞吐速率。731ednc

致谢

非常感谢应用工程师Mika Jiang和Yao Zhao,他们提供了有关STM32F429IDISCOVERY套件快速启动和固件调试工作的建议。731ednc

参考文献

Dhaker,Piyu。“SPI接口简介”。《模拟对话》,第52卷。2018年9月。731ednc

RM0090参考手册:STM32F405/415、STM32F407/417、STM32F427/437和STM32F429/439高级ARM® 32位MCU。STMicroelectronics,2019年2月。731ednc

STM32F427xx数据手册。STMicroelectronics,2018年1月。731ednc

UM1670用户手册:带STM32F429ZI MCU的Discovery套件。STMicroelectronics,2017年9月。731ednc

Usach, Miguel。AN-1248应用笔记:SPI接口。ADI公司,2015年9月。731ednc

作者简介

Steven Xie于2011年3月加入ADI北京分公司,担任ADI中国设计中心的产品应用工程师。他负责中国市场SAR型ADC产品的技术支持工作。在此之前,他曾在无线通信基站领域做过四年的硬件设计人员。2007年,Steven毕业于北京航空航天大学,并获得通信与信息系统硕士学位。731ednc

  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 仿真器智能,工程师更聪明! 不要过度依赖SPICE仿真器的自动设定,因为过度相信自动化有时可能引发错误。请记得:仿真器智能,工程师更聪明!
  • 儿童电子学(二):电容器 电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。
  • 碳化硅电力电子应用不止于汽车 第三代宽禁带半导体——碳化硅(SiC)——正在发挥其众所周知的潜力,在过去五年内,汽车行业一直是该材料的公开试验场。然而,电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现,包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化,甚至飞机。在供电方面,并网太阳能发电系统和通过高压直流链路传输能源,对于低碳能源的生产和分配也至关重要。
  • 增强型GaN HEMT的漏极电流特性 增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)已经采用两种不同的结构开发出来。这两种增强型结构是金属-绝缘层-半导体(MIS)结构和栅极注入晶体管(GIT)结构。MIS结构具有受电压驱动的小栅极漏电流,而GIT则具有脊形结构和高阈值电压。两者也都有一些缺点。MIS对栅极干扰的可靠性较低,阈值电压较低,而GIT的栅极开关速度较慢,栅极漏电流较大。
  • 利用反极性MOSFET帮助555振荡器忽略电源和温度变化 恒定频率振荡器是555定时器的经典应用之一。然而,由于所用二极管的特性不理想,占空比的间隔会随着温度和V+电源的变化而变化。本设计实例给出了一种解决方法:利用反极性P沟道MOSFET引导电容的充电电流而不产生任何明显压降。
  • 儿童电子学(一):LED 电子是当今的热门话题,许多孩子们也期望了解并掌握这个重要技术的基本原理。本文是一个面向孩子们的基础电子课程,将并以简单有趣的方式教他们基础知识,激发他们的兴趣。
  • 让智能手表摆脱手机束缚 智能手表迄今为止仍被普遍视为智能手机配件。尽管智能手表时尚酷炫,但是当您必须随身携带手机时,它的存在就会略显多余。而且,并不是任意一款手机都能与智能手表相兼容。
  • 给电子设计初学者的一些实用技巧 本文将为初学者提供一些实用的布局、提示和技巧,可以帮助您避免事故或解决各种问题。该系列将不定期发布。
  • 经典电子小制作项目:DS18B20制作的测温系统原程序原理 下面介绍的这款DS18B20制作的测温系统,测量的温度精度达到0.1度,测量的温度的范围在-20度到+50度之间,用4位数码管显示出来。DS18B20的外型与常用的三极管一模一样,用导线将JK—DS的DA端连到P3.1上。连接好DS18B20注意极性不要弄反,否则可能烧坏。
  • MP1584降压电路官方手册有坑?资深工程师分享常用DC-DC 在最初使用MP1584降压电路时,发现照着芯片手册的官方给出的参数去设置,发现还是有坑的,经过修改后,目前这个降压电路已经使用了很多年,经过几千产品量的打板实践,个人感觉还是算稳定的。为了帮助大家避开官方手册以及其他的一些坑,笔者特地撰文与大家分享一个常用的DC-DC的电路设计……
  • 为什么步进电机的微步没有想象的那么好? 在使用步进电机设计运动控制系统时,不能假设电机的额定保持转矩在微步时仍然适用,因为增量转矩会大大降低。这可能会导致意外的定位误差。在某些情况下,增加微步分辨率并不能提高系统精度。
  • 适用于CSP GaN FET的简单高性能散热管理解决方案 本文将演示芯片级封装(CSP) GaN FET提供的散热性能为什么至少能与硅MOSFET相当,甚至更胜一筹。GaN FET由于其卓越的电气性能,尺寸可以减小,从而能在不违背温度限制的同时提高功率密度。本文还将通过PCB布局的详细3D有限元仿真对这种行为进行展示,同时还会提供实验验证,对分析提供支持。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了