MAX194在ARM单片机系统中的应用

 

　　ARM（Advanced RISC Machines）处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的款RISC微处理器。更早称作Acorn RISC Machine）。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机（JVM）高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80%.CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核（ETMS）系列。本文介绍了一种笔者使用后取得良好效果的新型A/D转换芯片-MAX194.另外，由于32位处理器的价格不断下降，用户已可以大量使用，而32位RISC处理器则更是受到青睐，并将在某些领域替代原来的8位单片机。其中，ARM嵌入式微处理器系列处于地位。笔者所介绍的数据采集系统中采用的是PHILIPS公司生产的以ARM7处理器作为内核的LPC2104单片机。

　　1    MAX194简介

　　MAX194是MAXIM公司推出的一种逐次逼近型模数转换器（ADC），具有高速、高、低功耗等特点。MAX194内部设有校准电路，用于保证全温度范围内的线性度，从而维持全量程内的高性能，且不需要外部的调整电路。分开的模拟和数字供电地减少了数字噪声耦合。MAX194的内部结构如图1所示，其主要特性如下：

　　◇ 14位分辨率，1/2LSB非线性度，82分贝的信噪比；

　　◇ A/D转换时间为9.4 μs;

　　◇ 低功耗，节电模式下仅为10 μA;

　　◇ 内置采样/保持器（T/H）；

　　◇ 单极性（0~VREF）或双极性（-VREF~VREF）输入；

　　◇ 3态串行接口输出；

　　◇ 与16位的A/D转换器MAX195引脚兼容、输出数据格式相同，便于升级。

　　1.1    MAX194的主要引脚功能

　　◇ BP/UP/SHDN:三态输入选择端。0 V为关断，+5 V为单极性，浮空为双极性；

　　◇ CLK:转换时钟输入端；

　　◇ SCLK:串行时钟输入端。用于移出数据，可以与CLK异步；

　　◇ DOUT:串行数据输出端。高位先出；

　　◇ EOC:转换结束信号输出端。转换开始时上升，结束时下降；

　　◇ CS:片选输入端。当为低电平时允许三态数据输出；

　　◇ CONV:转换开始输入端。在波形的下降沿开始转换；

　　◇ RESET:复位输入端；

　　◇ REF:参考电压输入端；

　　◇ AIN:模拟量输入端。

　　1.2    工作模式

　　MAX194有两种接口模式。

　　◇ 同步模式：MAX194在转换过程中，每转换完成一个，数据位就输出一位。此时，SCLK应该接地，CLK既作为ADC的转换时钟又作为串行接口的移位输出时钟。

　　◇ 异步模式：单片机只能在MAX194完成转换之后才能将转换结果读出，然后再启动下转换。这种模式降低了MAX194连续转换的速度。

　　1.3    硬件接口

　　串行接口标准与SPITM、QSPITM兼容。MAX194在进行A/D转换时需要由外部提供时钟信号。图2是MAX194与单片机采用异步模式的硬件连接图。该图中，MAX194进行A/D转换所需的时钟信号由外部晶振分频得到。使用者也可根据需要由单片机提供该时钟信号。时钟信号的频率是1.7 MHz,参考电压的范围是0~VDDA+0.3 V.为了防止从AIN端输入的信号损坏ADC,应在信号输入端加电压限幅电路以保护MAX194.图3是其时序图。P3.0产生的START信号与CLK信号相"或"后作为启动转换的CONV信号。CONV的下降沿可以启动转换，开始转换后监测EOC,当它由高电平变低时说明转换已经结束，适当延时后就可以从串口读出转换结果，读数据的速率是4.19 Mbps.

　　2    LPC2104芯片简介

　　LPC2104基于一个支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S CPU,并带有128k字节（kB）嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。由于LPC2104非常小的尺寸和极低的功耗，它们非常适合于那些将小型化作为主要要求的应用，例如访问控制和电子收款机（POS）。带有宽范围的串行通信接口片内多达64k字节的SRAM,由于具有大的缓冲区规模和强大的处理能力，它们非常适合于通信网关和协议转换器、软件调制解调器、声音识别以及低端的图像处理。而多个32位定时器、PWM输出和32个GPIO使它们特别适用于工业控制和医疗系统。

　　3    MAX194与LPC2104接口设计

　　3.1    硬件接口

　　MAX194和LPC2104都带有标准的SPI接口，可以非常方便地实现它们的硬件和软件接口。其硬件接口如图2所示。SPI 是一个全双工的串行接口，它被设计成用于处理在一个给定总线上多个互连的主机和从机。在一定数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个从机通信。在数据传输中，主机总是向从机发送一个字节数据，而从机也总是向主机发送一个字节数据。

　　在该系统中，LPC2104设置为主机，MAX194设置为从机主机操作。

　　3.1    软件实现

　　软件的流程图如图4所示。主要分为三大部分。

　　1、SPI配置部分：首先，配置LPC2104的SPI引脚模块；随后，设置SPI_SPCCR和SPI_SPCR,并将LPC2104的SPI模块设置为主模式，MSB（位）先传输，禁止SPI中断，SPI接口速率为1 MHz,CPOL=0、CPHA=0在SCLK下降沿触发。

　　2、MAX194转换部分：通过向MAX194的CONV引脚发低脉冲启动A/D转换，转换开始后MAX194的EOC引脚变为高电平，可通过检测EOC引脚是否变为低电平来判断A/D转换的完成。

　　3、MAX194数据读取部分：首先置低MAX194的CS片选引脚，将无效数据0XFF送至SPI_SPDR以启动SPI总线，通过判SPIF位的置位来判断SPI总线传输是否完成，读取SPI_SPDR后，获得A/D转换结果的个字节（BIT13-BIT6）并调整数据；将无效数据0XFF再送至SPI_SPDR,然后再启动SPI总线，仍通过判SPIF位的置位来判断SPI总线传输的完成情况，读取SPI_SPDR后，获得A/D转换结果的第二个字节（BIT13-BIT6）并调整数据，将MAX194 的14位A/D转换数据存储在16位无符号变量rcv_data中。

　　#include "LPC2104.H"// 调用LPC2104寄存器头文件

　　#define   MAX194_CS      0x00000100       // P0.8口为MAX194的片选和信号

　　#define   MAX194_EOC  0x00000100       // P0.9口为MAX194的转换结束信号

　　#define    MAX194_UP     0x00000400        //P0.10口为MAX194的三态选择信号

　　#define MAX194_CONV 0x00000800       //P0.10口为MAX194的转换启动信号

　　int  main（void）

　　{ uint16  rcv_data;            //存储A/D 转换后的14位数据的变量

　　PINSEL0 = 0x00005500;            //设置SPI管脚连接

　　PINSEL1 = 0x00000000;

　　IODIR = MAX194_CS|MAX194_UP|MAX194_CONV;// 设置P0.8,P0.10,P0.11为输出

　　……

　　MSpiIni（  ）；                 // 初始化SPI接口

　　MSendData（0xFF,rcv_data）；      // 进行A/D转换病读取数据

　　……

　　}

　　void  MSpiIni（void）

　　{ SPI_SPCCR = 0x0B;   // 设置SPI时钟分频， SPI时钟为1 MHz

　　SPI_SPCR = 0x20;   // 设置SPI接口模式，MSTR=1,CPOL=0,CPHA=0,LSBF=0

　　IOCLR = MAX194_UP;  //关断输入

　　}

　　uint8  MSendData（uint8 s_data,uint16 r_data）

　　{ uint32 temp;

　　IOSET=Max194_UP;        // 打开输入

　　IOCLR = MAX194_CONV;   // 启动转换

　　Delay（10）；                // 延时 10us

　　IOSET = MAX194_CONV;

　　do

　　{ temp=IOPIN;}

　　while（temp&MAX194_EOC） ;   // 转换结束

　　IOCLR = MAX194_CS;  // 片选

　　SPI_SPDR = s_data;           // 发送数据0xFF

　　while（ 0==（SPI_SPSR&0x80） ）；  // 等待SPIF置位，即等待数据发送完毕

　　r_data= （uint16）SPI_SPDR;     //读取个字节数据

　　r_data《=6;                 //调整数据

　　SPI_SPDR = s_data;           // 发送数据0xFF

　　while（ 0==（SPI_SPSR&0x80） ）；  // 等待SPIF置位，即等待数据发送完毕

　　r_data= r_data|（SPI_SPDR》2）；  //读取第二个字节数据并调整

　　IOSET = MAX194_CS;

　　IOCLR = MAX194_UP;        //关断输入

　　}

　　4    结束语

　　在使用MAX194中应尽可能把数字地和模拟地分开。如果模拟电源和数字电源来自同一个电源，那么用一低值电阻（10 Ω）将数字电源和模拟电源隔离。MAX194内部的高速比较器对VDDA和VSSA的高频噪声很敏感，应该用0.1 μF与1 μF或10 μF的并联电容将电源旁路接到模拟地。

　　用于数据采集系统的A/D转换芯片有很多，新品更是层出不穷，数据采集的速度和等性能也在不断提高，在应用中不但应根据实际情况采用性价比较高的A/D转换芯片，而且应选用高性价比的处理器（如本文所选LPC2104），这样才能提高整个系统的性能。