基于AVR单片机的SPI接口设计与实现
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摘要：利用AVR单片机和SPI接口在硬件、软件设计上的便利性，以ATmega128MCU与ADT7516、SI8902模数转换芯片之间的硬件设计和通信过程为基础，实现了电源监控电路中的参数采集和智能控制功能。测试表明SPI接口通信正常，AVR单片机控制稳定，满足对电源输出电路的实时监视和控制要求。同时给出了ATmega128芯片SPI接口的配置过程，以及模数转换芯片的配置过程、通信时序的实现方法。
关键词：串行外设接口；AVR单片机；模数转换器；数据采集；嵌入式系统
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）27-0238-03
1 引言
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是由Motorola公司设计的一种串行接口，具有电路简单、通信可靠、控制容易、通信速率快等优点，在嵌入式系统中应用广泛，单片机生产商包括Atmel、TI、MICROCHIP、FREESCALE等公司均提供具有SPI接口的单片机（MCU），允许MCU与各种外围接口设备以串行方式通信；同时各接口供应商提供了丰富的SPI外围接口产品，包括：LCD模块，Flash/EEPROM存储器，以及数模/模数转换器等器件。
下面以Atmel公司的ATmega128 MCU为例，利用其SPI接口对外围温控模数转换器（ADC） ADT7516、隔离模数转换器（ADC）SI8902进行参数配置和数据采集，实现对电源供电的管理，包括对各路电源电压、电流的监视，及各路电源的通断控制功能。
2 硬件电路设计
2.1 ATmega128串行外设接口（SPI）
ATmega128是Atmel公司推出的一款低功耗、高性能、多功能8位MCU，资源广泛，功能强大；结合多种监测电路，极大增强了嵌入式系统的可靠性；ATmega128提供了一个串行外设接口（SPI），它包括两条数据线：主机输出从机输入（MOSI），主机输入从机输出（MISO）和两条控制线：串行时钟线（SCK），片选控制线（SS）。
在电源供电管理电路中，ATmega128作为SPI接口的主控制设备，两种ADC芯片完全受ATmega128芯片的控制。
2.2 电路设计
电源供电管理电路实现直流电流12V、3.3V电压和电流等共16路参数检测，以及隔离28V电源电压和电流参数监测，设计中共采用了4片ADT7516、2片SI8902实现参数的模数转换。电路中，TPS24720（8片）和TPS2490配合ATmega128输出的控制信号用于对相应电源通路的通断控制，FM25H20用于存储电路的状态信息。
ATmeg128在任意时刻仅能与一个从设备进行通信，对于多个SPI从设备，采用三八译码器74LVC138实现多个从设备的片选使能，电源供电管理电路原理如图1示。
通过配置ATmega128三个GPIO管脚（PE4，PE5，PE6），作为74LVC138的A0、A1和A2输入端，三八译码器的输出连接于各个从设备的SS端，ATmega128 SPI接口的SS线连接于74LVC138的EN管脚用于使能该器件，对应关系如表1所示
3软件实现
软件设计包括ATmega128及从设备的初始化，以及参数采集和数据处理。
在ATmega128完成了初始化配置后，通过控制SPI接口向ADC发送控制字，完成相应ADC的初始化配置，从而控制ADC对模拟信号进行转换，转换结束后，将转换结果通过SPI接口回读到MCU。MCU对不同路电压、电流值按照预设的范围进行判断，并给出电源通路的通断控制命令。
3.1 ATmega128 SPI接口配置
ATmega128中与SPI接口有关的寄存器有控制寄存器（SPCR）、状态寄存器（SPSR）和数据寄存器（SPDR），这三个寄存器都为8位寄存器，通过对各寄存相应比特位的配置，可以实现对SPI接口的控制。软件设计中采用查询标志位的方式完成SPI通信的编程，使用的软件为AVR Studio4.18，编译环境为WinAVR 20100110，ATmega128初始化如下所示。
//MOSI、SCK、SS对应管脚初始化为输出，默认的MISO为输入
DDRB "= （1< //SS初始化位高电平 PORTB |=（1< //SPI使能，主控方式，Mode 3工作方式，其他配置为默认 SPCR |= （1< ATmega128初始化SPI接口时应该注意以下几点： a.正确配置ATmega128 SPI接口的工作模式，由ADT7516和SI8902的芯片手册可知，两种芯片都可以工作于Mode 3模式，FM25H20同样适用； b.当使能了SPI接口后，ATmega128并没有自动强制转换SPI接口的四个引脚的工作方式，因此应该将MISO配置成输入管脚，MOSI、SCK和SS配置成为输出管脚； c.当ATmega128工作于主控模式下，SS管脚并不受SPI硬件电路或寄存器的配置控制，因此使用时应该根据各被控芯片的SPI协议编程控制SS。 3.2 ADT7516数据通信 ADT7516是 Analog Devices公司推出的一款多功能转换器件，包括四通道10位ADC， 10位温度数字转换器，以及一个四通道的12位DAC；该芯片兼容SPI、I2C、QSPI、MICROWIRE接口，采用该芯片对电源管理模块上3.3V和12V电压、电流进行采集。 ADT7516工作模式默认下为I2C接口，初始化时需要先将通信接口转为SPI；其次，该芯片为了区分读写操作，在地址、指令和数据通信之前，必须由主控器件发送写命令码（0X90）或读命令码（0X91），同时在SS使能的周期内，只允许存在读、写命令码中的一种。 设计中ADT7516初始化为Single-channel模式，采用Vdd为参考电压，因此模数转换精度为Vdd/1024（3.3/1024≈0.003），满足0.01的采样精度要求。对连续的16次采样结果平均后作为有效采样值。ATmega128和ADT7516之间的读写时序如图2所示；通过读指令，ADT7516向ATmega128传输的Data1和Data2进行相应比特的组合得到10位转换结果。 其中，SS线的连续高低变换的目的是将默认的I2C接口转换为所需的SPI接口；Tc为模数转换时间，ADT7516需要满足Tc>=11.4ms的要求；当ATmega128发送读指令后，ADT7516需要ATmega128提供的时钟才能将转换结果发送给ATmega128，因此读指令后面数据0X00的发送只是为了提供SPI总线时钟，从设备ADT7516初始化以及读写操作如下所示： //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< 实验过程中采用电子负载设备模拟实际系统中电压、电流，测试结果如表2所示，其中对12V、3.3V电压的监控是通过监控电阻分压值完成的；电流监控是对TPS24720输出的电压进行测量后转换为对应的电流值。 3.3 SI8902数据通信 SI8902是SILICON LABS公司推出的一款三通道10位隔离监控ADC，内置SPI接口，具有2.5KV或者5KV的隔离率，包含POR和UVLO功能。 SI8902模数转换的开始以及模式的配置都是通过SPI接口向SI8902的配置寄存器发送配置数据，在等待一定的转换时间后，ATmega128读取转换后的数据；SI8902有两种工作模式，分别为Demand Mode和Burst Mode，本文采用Demand Mode模式；采用Vdd为参考电压，因此模数转换精度为Vdd/1024（3.3/1024≈0.003），满足0.01的采样精度要求。需要明确的是，SI8902在发送转换结果之前会将ATmega128发送的配置数据传送到SPI总线上，因此ATmega128和SI8902之间的读写时序如3图所示；MISO线上的Data1和Data2在进入ATmega128后进行相应比特的组合得到10位转换结果。 其中，Tc为模数转换时间，ADT7516需要满足Tc>=8us的要求；MOSI线上发送的三字节0XFF数据是为了提供时钟给MISO线，从而保证ATmega128读取转换结果，0XFF的选取需要排除SI8902已存在配置数据。需要特别注意的地方是，由于SI8902的MISO管脚不是Open-drain输出，因此需要对该管脚进行三态输出缓存（如图1上使用的TI公司的SN74LVC1G125DBV），从而消除该芯片对SPI总线的无效占用，保证主控芯片可以和任何被控芯片进行通信。因此SI8902初始化以及读写操作如下所示： 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< 实验过程中采用电子负载设备模拟实际系统中电压、电流，测试结果如表3所示，其中对交流电路中28V电压的监控是通过监控电阻分压值完成的；电流监控是对TPS2492输出的电压进行测量后转换为对应的电流值。 4数据处理 ATmega128分时使能各个ADT7516和SI8902芯片，并将其中一路电源通路的10Bits电压、电流转换结果进行逻辑运算控制通断状态。为了满足控制的实时性，采样出的一组转换结果立马和设定好的上下门限进行比较，输出通断控制信号ON/OFF，此后再使能剩余的模数转换器。当转换结果介于上下门限之间，说明该电源通路的电压、电流满足系统需求，因此通断控制信号ON/OFF使能TPS24720或TPS2492完成对该通路的输出，否则控制信号ON/OFF禁止TPS24720或TPS2492输出相应电源通路。根据系统的需求，各电压、电流的上下门限如表4、表5所示；同时TPS24720、TPS2492自身也有过流和过压保护，两种方式结合增强了对该通路的监控和系统的保护。最后再将各通路的电压、电流采样值和各通路的通断情况通过UART接口发送到PC机进行显示，并存储到NVRAM中供后续查询操作。 5结束语 本文主要讨论了ATmega128与ADT7516、SI8902的SPI通信过程，通过AVR Studio4.18和WinAVR软件的配合使用，研究了两种模数转换芯片驱动程序的设计过程和注意点。该系统转换结果准确，转换时间快速，可以满足系统的要求。通过对各个通路电压、电流的监测可以有效地监控电源管理模块的工作状态，有效的保护电源管理模块对系统内部其他模块的供电需求。 参考文献： [1] Atmel corporation. ATmega128（L） Complete Datasheet [OL]. http：//. [2] Analog Devices，Inc. ADT7516 Datasheet [OL]. http：//. [3] Silicon Laboratories.SI8902 Datasheet [OL]. http：// . [4] 张桂香，姚存治.基于ATmega128单片机的智能供电测控系统设计[J].电力自动化设备，2009，29（8）： 136-139. [5] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.424-445. [6] 王耿，王金明.SPI接口控制器设计与实现[J].电子质量，2010（1）：4-5. [7] 王宗刚，潘峥嵘.基于AVR单片机的SPI接口的实现[J].自动化与仪器仪表，2011（2）：114-115. [8] 王耿，王金明.SPI接口控制器设计与实现[J].电子质量，2010（1）：4-5.