基于串行总线的测量仪器模拟节点设计

3 基于串行总线的模拟节点信号监测设计要点

3．1 串行总线连接

目前，世界各主要半导体制造商提交了多种不同的串行协议，比较典型的有以Motorola公司为代表的SPI(se-rial peripheral interface：串行外围设备接口)、以Philips公司为代表的I2C(Inter IC)以及国家半导体公司为代表的MICROWIRE总线(微总线)等。其中，SPI是一种高速4线同步串行外设接口总线，1条用于串行移位时钟SCK，1条用作从使能信号(SS)，另外2条数据线分别用于数据的收发(MISO和MOSI)，采取主从式通信方式、全双工传输。传输速率由主控设备编程决定，可选择移位率、主从模式以及时钟的极性和相位等；I2C总线是一种用双向2线串行总线，1条串行数据线(SDA)和1条串行时钟线(SCL)，采用主从方式的同步通信方式，在通信过程通过地址确定通信对象，每个I2C器件都有一个唯一的地址，每个器件既可发送也可接收，是1种多主总线；MI-CROWIRE总线是一种3线同步串行接口总线，1条时钟线(SK)和2条数据收发线(SO和SI)。

串行总线引脚较少，连接非常简单。口前，很多处理器都直接集成了前述的串行总线接口，可以直接与相应接口的串行设备相连。而在一些高端处理器巾，更是提供了更加灵活的可编程串行接口，如Motorola公州高端DSP处理器大都集成了可编程SSI串行同步通信接口，而TI公司的高端DSP处理器大都集成了可编程McBSP多通道缓冲串行接口，这接口不但具有与标准串行接口相同的基本功能，还可配置成通用输入输出(GPIO)接口，因此可以方便地与SPI、I2C和MICROWIRE等兼容设备直接连接。

以McBSP多通道缓冲串行接口为例：通过配置McB-SP的工作模式，McBSP可兼容SPI、MICROWIRE等协议通信。当McBSP被配置为时钟停止模式时，可兼容SPI和MICROWIRE总线协议，此时发送器和接收器在内部是同步的，故可将McBSP作为SPI主设备或从设备。当设置McBSP为主设备时，可将发送数据帧时钟(FSX)用作SPI从设备使能信号(即SS)，而将发送数据位时钟(CLKX)用作SPI协议中串行时钟信号(SCK，MI-CROWIRE没备的SK)。当连接I2C设备时，可将McBSP配置成GPIO模式，将McBSP的CLKX和FSX与I2C总线设备的SCL和SDA相连，利用软件模拟I2C总线协议。McBSP为主没备时，几种通信模式下的典型连接关系如图4所示。

在智能测量仪器中，通常选择处理器为主设备，而将各串行器件作为从设备，因此大都采取上述连接方式。针对不同的处理器，其连接方式略有不同。而对没有提供相应串行通信接口的处理器，也可以按照串行设备的工作时序来通过GPIO接口编程或利用可编程逻辑器件进行模拟实现。

3．2 通道扩展与多片连接

现代智能测量仪器电路板模拟节点数量很多，而且往往还需要利用串行总线构建模拟输出通道和存储系统，这就需要在同一套串行总线上设计挂接多片乃至多种不同型号、不同总线形式的串行器件。如图5所示。

不同串行设备的工作时序不尽相同，为保证处理器与串行设备之间的通信需要对串行总线通道进行必要的初始化设置。这些设置主要包括设备的主从模式(通常设置处理器为主设备)、移位率、时钟极性和相位等属性对利用GPIO接口编程模拟串行总线的应用，还需要根据串行器件的时序特点编程设置相应的输出／输出管脚和工作时序。

串行ADC通常通过其内置控制寄存器以控制字的方式来实现一系列的控制操作，如采样模式、参考选择、通道选择以及A／D转换等。针对拟选择的模拟节点，通过软件控制相关电路完成信号调理后，对锁存器相应位进行操作来选择相应的串行ADC工作，利用串行总线向串行ADC写入控制字来启动对指定模拟节点信号的转换操作(如果支持软件启动)。

处理器通过串行总线接口读取转换数据，进行必要的运算和处理后获得模拟节点监测信号的真实结果，从而进行相应的操作和处理。

在具体的编程中，串行总线应根据串行ADC的具体总线接口形式和时序特点进行设置，这一点务必注意，以免无法建立通信连接。不同串行ADC的读写时序不尽相同，编程时需要格外注意。此外，通过串行总线进行读写操作时，需要根据读写数据的位数保证足够的时钟个数，以免无法正常读写。

对于挂接在总线的其它设备的控制操作，可根据具体设备的特点，参考类似的方式予以编程实现。

4 结束语

基于串行总线的模拟节点设计方案不但实现简单，成本低廉，而且还具有电磁辐射小、体积小、可扩展能力强等优点，可以方便、灵活地根据实际电路的需求进行通道扩展。基于这种设计思想的软硬件方案已经在笔者所从事的系统中已经得到广泛应用，并取得了令人满意的效果。