基于AVR單片機(jī)的SPI接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫佳 上海紅生系統(tǒng)工程有限公司

基于AVR單片機(jī)的SPI接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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隨著時(shí)代的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)在不知不覺(jué)中進(jìn)入到數(shù)字化信息時(shí)代，自上世紀(jì)五十年代世界上誕生第一臺(tái)計(jì)算機(jī)開(kāi)始，人類(lèi)社會(huì)拉開(kāi)了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的序幕。隨著時(shí)間的推移，人們加大了對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究，不斷對(duì)其性能進(jìn)行改進(jìn)和完善。AVR單片機(jī)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，它于1997年由兩位挪威設(shè)計(jì)師共同研制的一款八位單片機(jī)，相較以往的單片機(jī)它內(nèi)部資源更豐富，接口強(qiáng)大且價(jià)格低廉，一經(jīng)上市便廣受人們的歡迎，現(xiàn)今人們將該項(xiàng)技術(shù)廣泛的運(yùn)用于計(jì)算機(jī)、家電及通訊設(shè)備中。

AVR單片機(jī) SPI接口 設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)

SPI接口即串行外設(shè)接口，它主要是將機(jī)械內(nèi)部信息和外部設(shè)備以串行的方式進(jìn)行連接以此進(jìn)行通信傳遞信息，基于AVR單片機(jī)各方面性能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)最佳SPI接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。SPI作為一種高效雙向的同步通信系統(tǒng)，通過(guò)四條線(xiàn)路進(jìn)行信息傳遞，有效的節(jié)省了芯片及PCB的空間，安全高效，線(xiàn)路簡(jiǎn)單、操作方便、信息傳遞速率較快被廣泛的運(yùn)用到當(dāng)下各種科技設(shè)備中，加大對(duì)于SPI接口的研究，以便最大程度的發(fā)揮其性能，下面主要將ATMEGA 128作為案例，對(duì)其進(jìn)行各方面性能的研究，以便更好地滿(mǎn)足人們對(duì)于電路監(jiān)控的實(shí)際需求，為相關(guān)科技設(shè)備的更新奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 硬件電路的相關(guān)設(shè)計(jì)

ATMEGA 128是現(xiàn)今ATMEL公司最高配置的一款八位系列單片機(jī)，它由于其自身性能安全可靠、穩(wěn)定性較強(qiáng)、價(jià)格實(shí)惠、高能低耗等特點(diǎn)深受人們喜愛(ài)。單片機(jī)作為一種集成電路芯片，當(dāng)前被廣泛的運(yùn)用到人們的生產(chǎn)和生活中，像飛機(jī)中的儀表控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的通訊技術(shù)、攝像機(jī)及全自動(dòng)洗衣機(jī)都有它的身影。單片機(jī)由于其體積較小，具有極強(qiáng)的拓展性，使用方便，功能強(qiáng)大等功能多被運(yùn)用于各種儀表器內(nèi)，同時(shí)也可以使用單片機(jī)對(duì)電流、電壓、溫度進(jìn)行科學(xué)測(cè)量，促使各種測(cè)量?jī)x器向智能化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)變，像電壓表、醫(yī)用器械等。

ATMEGA 128在實(shí)際運(yùn)行中結(jié)合多種電路檢測(cè)設(shè)備，極大的增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性，ATMEGA 128在運(yùn)行時(shí)包括一個(gè)SPI串行外設(shè)接口，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)電路接口的實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)分析，以便在保證安全減少能耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其最大的功用。SPI主要有兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)，即MOSI主機(jī)輸出從機(jī)輸入及MISO主機(jī)輸入從機(jī)輸出，此外涉及兩條控制線(xiàn)，即SS片選控制線(xiàn)和SCK串行時(shí)鐘線(xiàn)。ATMEGA 128作為串行外設(shè)接口的主要控制設(shè)備，其機(jī)械設(shè)備內(nèi)部的芯片完全由ATMEGA 128控制。在進(jìn)行電源管理時(shí)需要對(duì)16路電流進(jìn)行檢測(cè)，像對(duì)3．3V、12V等多種電壓的直流電進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)，同時(shí)還需要對(duì)28V電源電壓進(jìn)行隔離監(jiān)測(cè)，在實(shí)際操作中需要ADT7516四片及SI8902兩片對(duì)試驗(yàn)中電流及電壓參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在實(shí)驗(yàn)中也可以用TPS24720配合TPS2490對(duì)ATMEGA 128進(jìn)行輸出信號(hào)的控制，用于運(yùn)行電路的通斷控制。在設(shè)計(jì)相關(guān)電路實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要切記ATMEGA 128無(wú)論在何種情況下都只能連接一個(gè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行通信試驗(yàn)，如果需要對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要借助74LVC138譯碼器對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，ATMEGA 128系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采用最小的系統(tǒng)模型，其中包括ISP、JTAG仿真機(jī)口電路、引腳擴(kuò)展電路、USB供電及通信電等。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所需的跳線(xiàn)接法設(shè)置不同的晶振源，像8MHz與16MHz兩種模式。在供電與ISP進(jìn)行接口時(shí)，可以直接對(duì)其進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，即相關(guān)設(shè)備仍在電路板上時(shí)仍可以對(duì)其進(jìn)行二次編碼，保證相關(guān)程序與實(shí)際實(shí)驗(yàn)需要相符合，確保相關(guān)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)合理性。

2 軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

AVR單片機(jī)的SPI接口軟件設(shè)主要是對(duì)ATMEGA 128初始化，對(duì)其運(yùn)行的相關(guān)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行采集與數(shù)據(jù)處理，即在ATMEGA 128在初始化配置完成后，通過(guò)對(duì)SPI串行外設(shè)接口向外部設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)信息，像SPI將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳遞給ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，在完成模擬化數(shù)字轉(zhuǎn)換器初始化工作完成過(guò)后，再對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)化，之后再將轉(zhuǎn)化過(guò)后的數(shù)據(jù)信息通過(guò)串行外設(shè)接口傳送回MCU（單片微型計(jì)算機(jī)），微型計(jì)算機(jī)可以通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中流通的電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和判斷，及時(shí)做出下一步指令，管控整個(gè)電路的流通過(guò)程。

2.1 ATMEGA 128 SPI接口

ATMEGA 128 SPI接口設(shè)計(jì)時(shí)可以使用同步串行三線(xiàn)SPI接口，方便SPI與外部設(shè)備的連接，保證信息高效傳輸。ATMEGA 128 SPI在進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)選擇硬件方式對(duì)其進(jìn)行同步通訊設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)備條件可以選擇多種通訊速率，像主機(jī)方式的最高速率為1/2系統(tǒng)時(shí)鐘，而從機(jī)方式的最高速率則只是1/4系統(tǒng)時(shí)鐘。ATMEGA 128與SPI接口相關(guān)聯(lián)的寄存器主要有三種，數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器，這三者都是八位寄存器，相通的配置，減少各種誤差的出現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以采用查詢(xún)標(biāo)志的方式進(jìn)行SPI通信編程，重置程序信息，在確定試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)的前提下，配置正確的ATMEGA 128 SPI接口的運(yùn)行方式，ADT7516、FM25H20及SI8902都可以直接用于實(shí)驗(yàn)。當(dāng)SPI接口完成后，如果ATMEGA 128無(wú)法自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為SPI接口四個(gè)引腳工作模式，需要安裝MISO配置，進(jìn)行輔助工作，以便能正確輸出相關(guān)信息，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程穩(wěn)定安全運(yùn)行。而當(dāng)ATMEGA 128在主控制模式下進(jìn)行工作時(shí)，片選控制線(xiàn)并不受制于SPI硬件電路和寄存器，因此，在進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)接口的實(shí)際情況及設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行線(xiàn)路調(diào)控，重新對(duì)相關(guān)控制設(shè)備進(jìn)行編碼。

2.2 數(shù)據(jù)通訊設(shè)備

當(dāng)前ATMEGA 128 SPI接口設(shè)計(jì)中涉及的數(shù)據(jù)通信設(shè)備主要有SI8902和ADT7516，針對(duì)這兩款設(shè)備進(jìn)行研究。SI8902是一款三通道的十位隔離監(jiān)控模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設(shè)有SPI接口，SI8902工作的開(kāi)始和運(yùn)行都需要借助SPI接口才能進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞，而且SI8902在將數(shù)據(jù)傳遞出去之前需要先將信息傳輸?shù)絊PI總線(xiàn)上，所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)需要加大對(duì)于SPI的研究，切實(shí)保證相關(guān)信息的科學(xué)準(zhǔn)確。

ADT7516是一款多功能轉(zhuǎn)換器，包括十位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、十位溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換器及四通十二位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。此類(lèi)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部兼容SPI、QSPI及I2C等多個(gè)接口，人們通常使用該芯片對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電路上電壓為12V和3．3V的電流進(jìn)行采集，在開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)操作時(shí)一定要注意一點(diǎn)，即ADT7516該項(xiàng)轉(zhuǎn)換器默認(rèn)的工作狀態(tài)是I2C接口，所以在進(jìn)行相關(guān)電路連接和實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要將通信接口由I2C轉(zhuǎn)換位SPI，而且，該芯片在工作時(shí)為了有效區(qū)分讀寫(xiě)操作，在傳遞通訊信息之前必須通過(guò)主控器發(fā)送相應(yīng)的讀寫(xiě)編碼，同時(shí)在SS片選控制線(xiàn)工作時(shí)，切記讀寫(xiě)編碼只能出現(xiàn)一種。開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該進(jìn)行多次試驗(yàn)，滿(mǎn)足相關(guān)試驗(yàn)的采樣要求，在經(jīng)過(guò)多次采樣后求取其結(jié)果的平均值，在一定程度上保證信息的科學(xué)性，試驗(yàn)中會(huì)涉及SS片選控制線(xiàn)連續(xù)不斷變換其目的主要是為了將默認(rèn)通信接口由I2C轉(zhuǎn)換位SPI接口，模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)該超過(guò)或等于11．4毫秒，當(dāng)ATMEGA 128發(fā)送數(shù)據(jù)只讀指令時(shí)，ADT7516還需要通過(guò)ATMEGA 128提供的時(shí)鐘才能轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信息傳遞給ATMEGA 128，在實(shí)際試驗(yàn)操作過(guò)程中可以借助各種電子設(shè)備對(duì)電壓和電流進(jìn)行模擬，在控制電壓不變的情況下對(duì)電阻數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)。

3 數(shù)據(jù)的處理

ATMEGA 128多由ADT7516和SI8902兩種芯片組成，并在保持電壓穩(wěn)定到一定程度的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換。為了保證試驗(yàn)的科學(xué)性，很多時(shí)候人們?cè)谶M(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)在一組試驗(yàn)結(jié)果得出后，將其與設(shè)定好的上門(mén)下限進(jìn)行比較，如果實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果在原先設(shè)定好的程序內(nèi)，便證明相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)科學(xué)合理，電路運(yùn)行中的電壓和電流符合相關(guān)要求，然后可以通過(guò)通斷控制信號(hào)將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)信息直接輸出，如果實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與原先設(shè)定好的出入過(guò)大相關(guān)電源通路將不予輸出。在實(shí)際工作過(guò)程中可以通過(guò)各種檢測(cè)設(shè)備對(duì)電路信息進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控，以便進(jìn)行科學(xué)判斷，同時(shí)也可以對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，便于日后信息的查詢(xún)。當(dāng)前在實(shí)際操作中越來(lái)越多的人使用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，有效的彌補(bǔ)了單片機(jī)數(shù)據(jù)信息和程序可讀性與移植性差的缺陷，有效的簡(jiǎn)化了運(yùn)行程序，同時(shí)還擴(kuò)大了單片機(jī)的適用范圍，像使用C語(yǔ)言數(shù)據(jù)表格的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用指針變量或數(shù)組變量的方式將數(shù)據(jù)信息劃為數(shù)組，有效的提高數(shù)據(jù)處理的效率，便于相關(guān)程序高效運(yùn)行。

總而言之，在數(shù)字化信息技術(shù)迅速發(fā)展的今天，單片機(jī)隨著時(shí)代的發(fā)展也在不斷改進(jìn)和完善中，加大對(duì)于當(dāng)下流行的AVR單片機(jī)的研究，組織專(zhuān)業(yè)人員對(duì)SPI接口進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以便更好地提高其性能，增強(qiáng)其嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，擴(kuò)大AVR單片機(jī)的使用范圍，以便人們更好地將其運(yùn)用到生活和生產(chǎn)中，推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)不斷向智能化、科學(xué)化方向發(fā)展，更好地造福人民大眾。

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孫佳（1977—），男，漢族，江蘇阜寧縣人，大連海事大學(xué)電子工程專(zhuān)業(yè)學(xué)士，中級(jí)職稱(chēng)。從事船舶電子設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)工作近17年；負(fù)責(zé)、參與了兩項(xiàng)海軍通信設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，并曾獲得上海市新長(zhǎng)征突擊手稱(chēng)號(hào)。