Стивен Барретт - Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С
4.19.4. Алгоритмы программного обслуживания контроллера SPI
Ранее в данном параграфе мы обсудили действия, которые необходимо совершить, чтобы инициировать пересылку одного байта с использованием интерфейса SPI. Эти действия отражены в блок-схемах алгоритмов, которые представлены на рис. 4.78. Далее мы покажем, как записать эти действия на Си.
Рис. 4.78. Блок-схемы алгоритмов программного обслуживания контроллера асинхронного обмена SPI
Микроконтроллер и периферийные интегральные схемы. Одна из основных функций интерфейса SPI в микропроцессорных системах — обмен данными между МК и установленными на той же печатной плате интерфейсными ИС. Контроллер SPI в составе МК 68HC12 может быть инициализирован для работы как в режиме ведущего (мастера), так и в режиме ведомого (подчиненного). В процессе обмена с интерфейса SPI — дополнительная функция линий PS7..PS4 порта S. Сигналы SPI распределяются между линиями PS7..PS4 в следующем порядке:
• PS7 — сигнал . Когда линия установлена в 0, происходит передача данных из ведущего устройства SPI;
• PS6 — сигнал SCK;
• PS5 — сигнал MOSI. По этой линии передаются данные от ведущего устройства к ведомому;
• PS4 — сигнал MISO. По этой линии передаются данные от ведомого устройства к ведущему.
Регистры управления, используемый в примере. Ниже перечислены биты и регистры управления, которые используются в данном примере:
• DDRS — регистр направления передачи порта S. Разряды DDRS7…DDRS4 должны быть установлены соответствующим образом при работе контроллера SPI в режиме ведущего. Это необходимо для правильного формирования сигналов обмена на линиях порта S;
• SP0BR — регистр скорости передачи. Разряды SPR2…SPR0 этого регистра задают скорость обмена по шине SPI;
• SP0CR1 — регистр управления (первый). Задает режимы работы контроллера SPI;
• SP0CR2 — регистр управления (второй). Задает режимы работы контроллера SPI;
• SP0SR — регистр состояния. Отражает текущее состояние процесса передачи информации по шине SPI;
• SP0DR — регистр данных. В этот регистр записываются данные, подлежащие передаче в интерфейсную ИС.
Пример программирования контроллера SPI. В нашем примере мы будем использовать встроенный контроллер SPI в режиме ведущего. Контролер будет непрерывно посылать шестнадцатеричное число $F0 в «воображаемую» периферийную ИС. Работоспособность приведенного программного кода может быть проверена с помощью осциллографа. При желании Вы можете собрать простейшую периферийную ИС — последовательный регистр со светодиодами, подключенными к параллельным выходам (рис. 4.79). В примере не использованы прерывания, контроль за состоянием флага SPIF ведется методом полинга.
Рис. 4.79. Функциональная схема периферийного устройства для тестирования обмена по SPI
/*--------------------------------------------------------------------*/
/* filename: SPI.c */
/* МAIN PROGRAМ: Эта программа реализует непрерывную посылку кода */
/* символа "S" с скоростью 9600 бод в 8-разрядном формате (кадр 10 бит)*/
/* с битом паритета */
/*--------------------------------------------------------------------*/
/*подключаемые файлы*/
#include <912b32.h>
#include <stdio.h>
/*используемые функции*/
void initialize_spi(void);
void send_data(unsigned int);
void main(void) {
int i, j;
unsigned int data;
initialize_spi(); /*инициализация модуля SCI*/
data = 0xF0;
while(1) /*передавать данные непрерывно*/
{
send_data(data);
}
}
/* Функция initialize_spi производит инициализацию модуля SPI. */
void initialize_spi(void) {
SP0BR = 0х04; /*установить скорость обмена*/
SP0CR1 = 0x18; /*запретить прерывания от SPI, назначить режим*/
/*ведущего, старшим битом вперед*/
SP0DR = 0x00; /*очистить регистр данных */
SP0SR = 0x00; /*очистить регистр состояния*/
SP0CR1 = 0x58; /* разрешить SPI */
}
/* Функция send_data производит инициализацию модуля SPI. */
void send_data(unsigned int data) {
unsigned int status;
SP0DR = data; /*задать число для пересылки*/
while ((SP0SR & 0x80) == 0x00) /*ожидать флага завершения передачи*/
{
;
}
status = SP0SR /*прочитать регистр состояния с целью сброса флага SPIF*/
}
В приведенном примере мы показали лишь технику программирования обмена для контроллера SPI, однако мы не останавливались на особенностях подчиненного устройства, с которым происходит обмен.
4.19.5 Периферийные ИС с интерфейсом SPI
Интерфейс SPI обычно используется для расширения функциональных возможностей однокристального МК. Многие производители полупроводниковых компонентов выпускают периферийные интегральные схемы с интерфейсом SPI. По функциональному назначению эти схемы принадлежат к следующим группам устройств:
• Память типа EEPROM или FLASH;
• Дополнительные порты ввода/вывода;
• Часы реального времени;
• АЦП высокого разрешения (число разрядов преобразования превышает 8 бит);
• Драйверы светодиодных и жидкокристаллических дисплеев;
• Многоканальные ЦАП;
• Схемы фазовой автоподстройки частоты.
4.20. Введение в теорию аналого-цифрового преобразования
Встраиваемые микропроцессорные системы на основе МК семейства 68HC12 часто предназначаются для управления реальными промышленными объектами, в которых входные сигналы имеют аналоговую природу. Это сигналы различных датчиков: тока, напряжения, температуры, давления, ускорения, освещенности, загрязненности воздуха и т.д. Управляя каким либо технологическим агрегатом, МК должен обработать выходные сигналы этих датчиков, рассчитать по их значениям требуемые управляющие воздействия и сформировать необходимые управляющие сигналы для исполнительных устройств. Однако МК по своей сути является цифровым устройством, он способен преобразовывать данные только в цифровом виде. Поэтому для взаимодействия с аналоговыми датчиками микропроцессорная система должна быть оснащена аналого-цифровым преобразователем, который позволит представить аналоговые сигналы в виде цифровых кодов.
Процесс преобразования изменяющегося во времени аналогового сигнала в последовательность цифровых кодов предполагает выборку (запоминание) величины измеряемого аналогового сигнала через равноотстоящие во времени интервалы с последующим преобразованием каждого такого отсчета в цифровой код (рис. 4.80).
Рис. 4.80. Временная диаграмма, поясняющая процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой код.
Для представления некоторого изменяющего во времени аналогового сигнала в цифровом коде необходимо:
• Определить частоту дискретизации (выборки) аналогового сигнала;
• Определить необходимое число двоичных разрядов в кодовом представлении измеряемой аналоговой величины;
• Преобразовать напряжение входного сигнала в многоразрядный двоичный код.
Далее мы рассмотрим каждую из перечисленных задач более подробно.
4.20.1. Частота дискретизации сигнала
В процессе преобразования непрерывно изменяющийся аналоговый сигнал представляется конечным числом отсчетов этого сигнала, взятых в определенные моменты времени (рис. 4.80). Такой способ преобразования называют дискретизацией по времени.
Как правило, моменты взятия отсчетов сигнала следуют с равными интервалами во времени. Поэтому можно говорить о частоте дискретизации сигнала или частоте выборки. Какова должна быть эта частота, чтобы на основе дискретных по времени отсчетов сигнала можно было безошибочно восстановить исходный сигнал? Итоги исследований, выполненных по этому вопросу, сформулированы в критерии Найквиста:
Минимальная частота дискретизации сигнала равна удвоенной частоте высшей гармоники в представлении исследуемого сигнала:
fS ≥ 2fh, где
fS — частота дискретизации, fh — частота высшей гармоники при разложении исследуемого сигнала в гармонический ряд.
Одновременно с американским ученым Найквистом аналогичный результат был получен русским ученым академиком В.А. Котельниковым, поэтому теорему о минимальном значении частоты дискретизации в России именуют теоремой Котельникова (прим. переводчика).
