英創(chuàng)信息技術GPIO控制SPI接口的AD芯片簡介

在實際應用中，英創(chuàng)的嵌入式工控主板經常需要與客戶外部擴展的AD芯片相連。一般來講AD單元的擴展有兩種方法，一種是通過英創(chuàng)工控主板的精簡ISA總線擴展，另一種則是通過同步串口的方法，如SPI、I2C接口，與AD連接。前一種方法所涉及的AD芯片一般具有并行接口，如MAX197等；而后一種方法的AD芯片則帶有SPI或I2C接口。采用SPI或I2C接口的AD芯片，可使芯片的管腳數大幅減少，進一步使芯片本身的尺寸也大幅減小，從而大大擴展了這些AD芯片的應用范圍。為了方便廣大客戶在英創(chuàng)的嵌入式工控主板上快速應用這類AD芯片，本文將介紹如何通過EM9160工控主板的GPIO信號來控制TI公司的帶有SPI接口的TLC2543 AD芯片。

TI公司的TLC2543是一款支持11路模擬輸入，量化分辨率12-bit的低成本AD芯片。EM9160是英創(chuàng)公司的一款預裝Windows CE實時操作系統(tǒng)的高性價比ARM9工控主板產品。EM9160最多可支持16位方向可獨立設置的GPIO，這些GPIO均可被用來作為同步串口接口SPI的信號。在本文以下部分，SPI信號方向都是以工控主板EM9160為參考的。4線制的SPI接口其接口信號包括：

1、SPI_CS：SPI片選信號，低電平有效；從EM9160輸出，接到TLC2543

2、SPI_CK：SPI接口的同步時鐘信號；從EM9160輸出，接到TLC2543

3、SPI_DO：SPI接口數據輸出，從EM9160輸出的轉換命令，輸入到TLC2543

4、SPI_DI： SPI接口數據輸入，從AD芯片輸出的轉換數據，輸入到EM9160

用EM9160的GPIO仿真SPI接口的第一步是根據具體的設計情況，選擇合適的GPIO信號來作為SPI的各個信號，用C代碼可表述如下：

#include ‘em9160_dio_ex.h’

#include ‘em9160_isa_dio.h’

#define GPIO0_PIN 0x0001

#define GPIO1_PIN 0x0002

#define GPIO2_PIN 0x0004

#define GPIO3_PIN 0x0008

#define GPIO4_PIN 0x0010

#define GPIO5_PIN 0x0020

#define GPIO6_PIN 0x0040

#define GPIO7_PIN 0x0080

#define GPIO8_PIN 0x0100

#define GPIO9_PIN 0x0200

#define GPIO10_PIN 0x0400

#define GPIO11_PIN 0x0800

#define GPIO12_PIN 0x1000

#define GPIO13_PIN 0x2000

#define GPIO14_PIN 0x4000

#define GPIO15_PIN 0x8000

//

// 輸入輸出方向是以主板為參考來定義的。

//

#define SPI_CS_PIN GPIO0_PIN // 可根據實際情況更改

#define SPI_CK_PIN GPIO1_PIN // 可根據實際情況更改

#define SPI_DI_PIN GPIO2_PIN // 可根據實際情況更改

#define SPI_DO_PIN GPIO3_PIN // 可根據實際情況更改

第二步是實現SPI各個控制信號的操作函數，即各個控制信號的置位和清零以及輸入狀態(tài)的讀入。通過調用EM9160_ISA_DIO.LIB中的相關GPIO函數，函數原型定義在頭文件“em9160_dio_ex.h”中，可很容易實現下列函數：

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// SPI接口各管腳控制函數

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void Set_SPI_CS（） // SPI片選置高，注意SPI_CS片選一般是低有效信號

PIO_OutSetEx（ SPI_CS_PIN ）;

void Clear_SPI_CS（） // SPI片選清零，注意SPI_CS片選一般是低有效信號

PIO_OutClearEx（ SPI_CS_PIN ）;

void Set_SPI_CK（） // SPI時鐘置高，注意SPI_CK初始狀態(tài)為低

PIO_OutSetEx（ SPI_CK_PIN ）;

void Clear_SPI_CK（） // SPI時鐘置低，注意SPI_CK初始狀態(tài)為低

PIO_OutClearEx（ SPI_CK_PIN ）;

void Set_SPI_DO（） // SPI數據輸出高電平

PIO_OutSetEx（ SPI_DO_PIN ）;

void Clear_SPI_DO（） // SPI數據輸出低電平

PIO_OutClearEx（ SPI_DO_PIN ）;

int Get_SPI_DI（） // 讀取SPI數據輸入電平，‘0’表示低電平，‘1’表示高電平

{

UINT16 uState;

PIO_StateEx（ &uState ）;

if（uState & SPI_DI_PIN）

return 1;

return 0;

}

void Init_SPI（） // 設置SPI接口各控制信號，只初始化階段運行一次

{

Set_SPI_CS（）;

Clear_SPI_CK（）;

Clear_SPI_DO（）;

// 設置SPI_CS、SPI_CK、SPI_DO為數據輸出

PIO_OutEnableEx（ SPI_CS_PIN | SPI_CK_PIN | SPI_DO_PIN ）;

// 設置SPI_DI為數據輸入

PIO_OutDisableEx（ SPI_DI_PIN ）;

}

第三步就是根據SPI的時序，構造相應的讀寫函數。TLC2543是4線制SPI接口，因此它的讀寫操作是同時進行的，即所謂全雙工串行數據傳輸。在構造函數時，需要仔細研究AD芯片數據手冊上提供的SPI接口時序關系，如下圖所示：

這里需要注意的有以下幾點：

1、在SPI_CS片選有效后，TLC2543將把上次AD轉換的數據，按MSB在先的順序，呈現在SPI_DI信號線上，并在SPI_CK的下降沿更新數據

2、SPI_CK的上升沿將把對AD芯片的操作指令鎖存到AD芯片，輸出的數據也是按MSB在先的順序

3、輸入AD的操作指令只有8個bit，而從AD讀出的轉換數據有12個bit，在讀入低4bit時，輸入指令用“0”填充

4、芯片數據手冊中串行輸入輸出數據與我們的定義SPI_DO和SPI_DI是正好相反的

根據上述時序構造的啟動AD轉換并讀取上次轉換結果的函數如下：

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// 輸入參數uCmdCode：發(fā)送給AD芯片的轉換命令，具體內容參考AD數據手冊

// 輸出參數pADData：從AD讀取的數據，低12-bit有效

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BOOL ReadAD（ UCHAR uCmdCode， UINT16* pADData ）

{

int i1;

volatile UINT16 ui1， uCmd16;

// activiate AD chipselection

Clear_SPI_CS（）;

// wait 1.4us before clocking 1st bit （AD TLC2543 required）

EM9160_DelayInUs（ 2 ）;

uCmd16 = （UINT16）uCmdCode 《《 4; // convert cmd to 12-bit format

ui1 = 0; // save shift-out data from AD

for （ i1 = 0; i1 《 12; i1++ ） // set coverting channel

{

ui1 = ui1 《《 1;

if（Get_SPI_DI（）） // read AD_DOUT

ui1 = ui1 | 0x0001;

if（ uCmd16 & 0x0800 ） // issue Cmd onto AD_DIN， MSB first

Set_SPI_DO（）;

else

Clear_SPI_DO（）;

EM9160_DelayInUs（ 1 ）; // insert delay if required

Set_SPI_CK（）; // AD_CLK low-to-high

EM9160_DelayInUs（ 1 ）; // insert delay if required

Clear_SPI_CK（）; // AD_CLK high-tolow

EM9160_DelayInUs（ 1 ）; // insert delay if required

uCmd16 = uCmd16 《《 1;

}

// assign ui1 to ADdata

*pADData = ui1;

// de-activiate AD chipselection

Set_SPI_CS（）;

// wait for next AD data ready if necessary

Sleep（1）;

return TRUE;

}

在程序中最后的Sleep（1），是為了保證在下次調用函數時，AD的數據已轉換完畢。應用程序也可采用其他方法來保證AD有足夠時間，在應用程序再次調用ReadAD（…）前已完成數據轉換。特別需要注意的是，第一次調用ReadAD（…）讀取的數據是無意義的，因為此時還沒有設置轉換命令。在SPI輸入輸出過程中，是否加入適當的延時，主要是由AD芯片SPI接口的響應速度來決定的，客戶可查看所選AD芯片，如TLC2543，的數據手冊，就可獲得正確的選擇。

盡管本文是以EM9160為例來介紹如何構造SPI接口的，這個方法也完全適合英創(chuàng)公司的其他嵌入式工控主板產品，如EM9000、EM9161、EM9260、ETR232i等。對于不同的主板，主要的修改在第二步驟中對SPI接口信號操作函數的實現上。此外，英創(chuàng)公司還準備了3線制SPI接口以及I2C接口的范例參考代碼，需要使用的英創(chuàng)用戶可聯系免費獲得。