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Manipulating MCU SPI Interface to Access a Nonstandard SPI ADC 作者：ADI公司 Steven Xie，產品應用工程師 問題：能否用MCU訪問非標準SPI接口？ 
答案：可以，但可能需要做一些額外的努力。 簡介 當前許多精密模數轉換器(ADC)具有串行外設接口(SPI)或某種串行接口，用以與包括微控制器單元(MCU)、DSP和FPGA在內的控制器進行通信。控制器寫入或讀取ADC內部寄存器并讀取轉換碼。SPI的印刷電路板(PCB)布線簡單，并且有比并行接口更快的時鐘速率，因而越來越受歡迎。而且，使用標準SPI很容易將ADC連接到控制器。 一些新型ADC具有SPI，但有些ADC具有非標準的3線或4線SPI作為從機，因為它們希望實現更快的吞吐速率。例如，AD7616、AD7606和AD7606B系列有兩條或四條SDO線，在串行模式下可提供更快的吞吐速率。AD7768、AD7779和AD7134系列有多條SDO線，用作SPI主機。用戶在設計微控制器SPI以配置ADC和讀取代碼時往往會遇到困難。
圖1.AD7768用作串行主機，具有兩個數據輸出引腳(14001-193)。 與ADC的標準MCU SPI連接 SPI是一種同步、全雙工、主從式接口。來自主機或從機的數據在時鐘上升沿或下降沿同步。主機和從機可以同時傳輸數據。圖2顯示了典型的4線MCU SPI接口連接。
圖2.與ADC從機的標準MCU SPI連接 要開始SPI通信，控制器必須發送時鐘信號，并通過使能CS信號（通常是低電平有效信號）來選擇ADC。SPI是全雙工接口，因此控制器和ADC可以分別通過MOSI/DIN和MISO/DOUT線同時輸出數據。控制器SPI接口允許用戶靈活選擇時鐘的上升沿或下降沿來采樣和/或移位數據。為了在主機和從機之間進行可靠的通信，用戶必須遵守微控制器和ADC芯片的數字接口時序規范。 如果微控制器SPI和ADC串行接口具有標準SPI時序模式，那么用戶設計PCB布線和開發驅動器固件不成問題。但是，有些新型ADC的串行接口端口不是典型的SPI時序模式。MCU或DSP似乎不可能通過AD7768串行端口（一種非標準時序SPI端口）讀取數據，如圖4所示。 本文將介紹操縱標準微控制器SPI以便與具有非標準SPI端口的ADC接口的方法。 本文會給出四種通過串行接口讀取ADC碼的解決方案： 解決方案1：MCU作為SPI從機，通過一條DOUT線與作為SPI主機的ADC接口。 解決方案2：MCU作為SPI從機，通過兩條DOUT線與作為SPI主機的ADC接口。 解決方案3：MCU作為SPI從機，通過DMA與作為SPI主機的ADC接口。 解決方案4：MCU作為SPI主機和SPI從機，通過兩條DOUT線讀取數據。
圖3.SPI數據時鐘時序圖示例
圖4.AD7768 FORMATx = 1×時序圖，僅通過DOUT0輸出。 STM32F429微控制器SPI通過一條DOUT線讀取AD7768代碼 如圖4所示，當FORMATx = 11或10時，通道0至通道7僅通過DOUT0輸出數據。在標準工作模式下，AD7768/AD7768-4作為主機工作，數據流入MCU、DSP或FPGA。AD7768/AD7768-4向從機提供數據、數據時鐘(DCLK)和下降沿幀使能信號(DRDY)。 STM32Fxxx系列微控制器廣泛用于很多不同的應用中。該MCU有多個SPI端口，可以使用典型的SPI時序模式將其配置為SPI主機或從機。下文中介紹的方法也可應用于其他具有8位、16位或32位幀的微控制器。 AD7768/AD7768-4分別為8通道和4通道同步采樣Σ-Δ型ADC，每通道均有Σ-Δ型調制器和數字濾波器，支持交流和直流信號的同步采樣。這些器件在110.8 kHz的最大輸入帶寬下實現了108 dB動態范圍，具備±2 ppm INL、±50 μV偏置誤差和±30 ppm增益誤差的典型性能。AD7768/AD7768-4用戶可在輸入帶寬、輸出數據速率和功耗之間進行權衡，并選擇三種功耗模式之一以優化噪聲目標和功耗。AD7768/AD7768-4的靈活性使其成為適合低功耗直流和高性能交流測量模塊的可重復使用平臺。遺憾的是，AD7768的串行接口不是典型SPI時序模式，而且AD7768充當串行接口主機。一般而言，用戶必須使用FPGA/CPLD作為其控制器，例如，使用32F429IDISCOVERY和AD7768評估板。變通SPI線的連接如圖5所示。在這種設置下，AD7768的所有八通道數據僅通過DOUT0輸出。
圖5.AD7768通過DOUT0將數據輸出到STM32F429 MCU SPI連接 需要解決的問題： AD7768用作SPI主機，故必須將STM32F429I SPI配置為SPI從機。 DRDY 高電平脈沖只持續一個DCLK周期，這不是典型的CS。 完成所有通道數據位的輸出之后，DCLK繼續輸出，DRDY為低電平。 解決方案1：MCU SPI作為從機，通過一條DOUT線與SPI主機ADC接口 將STM32F429的一個SPI端口（如SPI4）配置為從機，以DCLK速率接收MOSI上的數據位。 將AD7768 DRDY連接到STM32F429外部中斷輸入引腳EXTI0和NSS (SPI CS)引腳。 DRDY的上升沿將觸發EXTI0處理例程，以使SPI從機能夠在DRDY變為低電平之后的第一個DCLK下降沿開始接收數據位。時序設計在這里至關重要。 接收到通道0至通道7的所有數據后，應禁用SPI以防止讀取額外的無效數據，因為DRDY會使SPI從機CS變為低電平，并且DCLK保持切換。
圖6.時序解決方案中的AD7768數據位讀取 MCU固件開發注意事項 當軟件處于中斷模式時，DCLK運行速率可以高達4 MHz，實現8 kSPS的ODR。軟件應進入中斷處理程序，在一個半DCLK周期(375 ns)內啟動SPI。為使軟件更輕松地進入中斷例程，MCU可以在DCLK上升沿讀取數據，從而提供額外的半個DCLK周期時間。但是，t5 DCLK上升到DOUTx無效最小值為–3 ns（IOVDD = 1.8 V時為–4 ns），因此DOUTx上的傳播延遲（>|t5| + MCU保持時間）應通過PCB布線或緩沖增加。
圖7.配置SPI4外設 解決方案2：MCU SPI作為從機，通過兩條DOUT線與SPI主機ADC接口 在第一種解決方案中，僅使用DOUT0來輸出所有8通道數據。因此，數據讀取將ADC吞吐速率限制為8 kSPS。如圖1所示，在DOUT0上輸出通道0至通道3，在DOUT1上輸出通道4至通道7，可以減少數據傳輸時間。串行線的連接如圖7所示。通過這種改進，在DCLK為4 MHz時，ODR可以輕松達到16 kSPS。
圖8.AD7768通過DOUT0和DOUT1將數據輸出到STM32F429 MCU SPI連接 固件可以不使用中斷模式，而使用輪詢模式，以減少從DRDY上升沿觸發到使能SPI接收數據的時間延遲。這樣可以在DCLK為8 MHz時實現32 kSPS的ODR。 解決方案3：MCU SPI作為從機，通過DMA與SPI主機ADC接口 直接存儲器訪問(DMA)用于在外設與存儲器之間以及存儲器與存儲器之間提供高速數據傳輸。DMA可以迅速移動數據而不需要任何MCU操作，這樣可以騰出MCU資源用于執行其他操作。下面是MCU SPI用作從機通過DMA接收數據的設計說明。 解決方案4：MCU SPI作為主機和從機，通過兩條DOUT線讀取數據 高吞吐量或多通道精密ADC為SPI端口提供兩條、四條甚至八條SDO線，以在串行模式下更快地讀取代碼。對于具有兩個或更多個SPI端口的微控制器，這些SPI端口可以同時運行以加快代碼的讀取。
圖9.EXTI0處于輪詢模式，SPI4和SPI5通過DOUT0和DOUT1接收AD7768數據位。
圖10.EXTI0處于輪詢模式，SPI4 DMA通過DOUT0接收AD7768數據位。 在以下使用案例中，32F429IDISCOVERY使用SPI4作為SPI主機，SPI5作為SPI從機，通過DOUTA和DOUTB接收EVAL-AD7606B-FMCZ數據，如圖8所示。 AD7606B是一款16位同步采樣模數轉換數據采集系統(DAS)，具有八個通道，每個通道均包含模擬輸入箝位保護、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器和16位逐次逼近寄存器(SAR)型ADC。AD7606B還內置靈活的數字濾波器、低漂移2.5 V精密基準電壓源和基準電壓緩沖器，可驅動ADC及靈活的并行和串行接口。AD7606B采用5 V單電源供電，支持±10 V、±5 V和±2.5 V真雙極性輸入范圍，所有通道均能以800 kSPS的吞吐速率采樣。
圖11.在主從模式下使用MCU SPI通過DOUTA和DOUTB接收數據
圖12.SPI4配置為主機，SPI5配置為從機。 圖13顯示了AD7606B以240 kSPS運行時BUSY、SCLK、DOUTA和DOUB的數字接口截圖。
圖13.AD7606B BUSY、SCLK以及DOUTA和DOUTB上的數據的示波器截圖 結論 本文討論了使用微控制器SPI訪問具有非標準SPI接口的ADC的方法。這些方法可以直接使用，也可以稍加調整即可控制ADC SPI；其可作為SPI主機使用，也可以與多條DOUT線配合使用以提高吞吐速率。 致謝 非常感謝應用工程師Mika Jiang和Yao Zhao，他們提供了有關STM32F429IDISCOVERY套件快速啟動和固件調試工作的建議。 參考文獻 Dhaker，Piyu。“SPI接口簡介”。《模擬對話》，第52卷。2018年9月。 RM0090參考手冊：STM32F405/415、STM32F407/417、STM32F427/437和STM32F429/439高級ARM® 32位MCU。STMicroelectronics，2019年2月。 STM32F427xx數據手冊。STMicroelectronics，2018年1月。 UM1670用戶手冊：帶STM32F429ZI MCU的Discovery套件。STMicroelectronics，2017年9月。 Usach, Miguel。AN-1248應用筆記：SPI接口。ADI公司，2015年9月。 作者簡介 Steven Xie于2011年3月加入ADI北京分公司，擔任ADI中國設計中心的產品應用工程師。他負責中國市場SAR型ADC產品的技術支持工作。在此之前，他曾在無線通信基站領域做過四年的硬件設計人員。2007年，Steven畢業于北京航空航天大學，并獲得通信與信息系統碩士學位。聯系方式：steven.xie@analog.com。 |
