A/D转换器CS5550与单片机的接口程序设计

辛晓宁，吴子旭

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110178）

A/D转换器CS5550与单片机的接口程序设计

辛晓宁，吴子旭

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110178）

分析双通道低成本A/D转换器CS5550的接口特点，以ATmega16单片机为例设计CS5550与单片机的接口电路。经过对ATmega16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。

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A/D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[1]

CS5550是Cirrus Logic公司推出的一款双通道低成本Δ-Σ型 A/D转换器，内部集成有2个Δ-Σ 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[2]。

CS5550片上集成有1个双向数字串行接口，包括CS（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INT，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[3]、PIC公司的 PIC16F877[4]、Analog Devices公司的 ADuC812[5]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ATmega16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 ATmega16的SPI接口及其与CS5550的连接

ATmega16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[6]。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）、SS（从机选择）引脚依次与 CS5550的 SDI、SDO、SCLK、CS引脚相连，如图 1所示。

图1 ATmega16的SPI接口与CS5550连接电路

ATmega16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“1”，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[7]。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ATmega16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=0。将ATmega16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（SPR1=0，SPR0=1）。综合以上对 SPCR 各位的分析，应配置SPCR=0x51。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、SS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ATmega16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[8]。该程序流程如图2所示。

图2 使用ATmega16硬件SPI接口程序流程

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（SS）。 其中 PB7端口初值为“0”，PB4端口初值为“1”。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 transmit_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。

图3 CS5550的基本读写时序

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。

图4 软件模拟SPI的函数编写流程

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。

[1]Cirrus Logic，Inc.CS5550 Datasheet[EB/OL].2008.http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/CS5550_F1.pdf.

[2]于 焱.Δ-Σ型A/D转换芯片CS5550在称重系统中的应用[J].计测技术， 2008（3）：57-59.

[3]Atmel Corporation.Atmega8（L） datasheet[EB/OL].2008.http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf.

[4]Microchip Corporation.PIC16F877 datasheet[EB/OL].2008.http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c.pdf.

[5]Analog Devices，Inc.ADuC812 datasheet[EB/OL].2008.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADUC812.pdf.

[6]Atmel Corporation.Atmega16 Datasheet[EB/OL].2008.http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8154.pdf.

[7]杨俊春，孙 珅，赵国良.AVR单片机中的SPI接口[J].应用科技， 2005，32（2），43-46.

[8]王红亮，杨 晓.AVR单片机与串行A/D的SPI接口设计[J].电测与仪表， 2008，45（9）:45-48.

Interface program design of A/D converter CS5550 and microcontroller

XIN Xiao-ning，WU Zi-xu
（School of Information Sience and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang110178，China）

The interface features of two-channels，two-cost A/D converter CS5550 are analyzed.Using ATmega16 microcontroller as an example，the interface circuit of CS5550 and microcontroller is designed.After analyzing the SPI interface of ATmega16，hardware SPI interface and software-emulated SPI are fully discussed as two methods of interface program design.The corresponding software flowcharts are given.Finally，the two interface modes of CS5550 are compared.

A/D converter;CS5550;microcontroller;interface program

TP312

A

1674－6236（2010）01-0049-03

2009-01-04 稿件编号：200901007

辛晓宁（1965—），男，辽宁沈阳人，博士，教授。研究方向：片上系统及嵌入式软硬件设计。