使用GPIO控制SPI接口的AD芯片 （转）

在实际应用中，英创的嵌入式工控主板经常需要与客户外部扩展的AD芯片相连。一般来讲AD单元的扩展有两种方法，一种是通过英创工控主板的精简ISA总线扩展，另一种则是通过同步串口的方法，如SPI、I2C接口，与AD连接。前一种方法所涉及的AD芯片一般具有并行接口，如MAX197等；而后一种方法的AD芯片则带有SPI或I2C接口。采用SPI或I2C接口的AD芯片，可使芯片的管脚数大幅减少，进一步使芯片本身的尺寸也大幅减小，从而大大扩展了这些AD芯片的应用范围。为了方便广大客户在英创的嵌入式工控主板上快速应用这类AD芯片，本文将介绍如何通过EM9160工控主板的GPIO信号来控制TI公司的带有SPI接口的TLC2543 AD芯片。

TI公司的TLC2543是一款支持11路模拟输入，量化分辨率12-bit的低成本AD芯片。EM9160是英创公司的一款预装Windows CE实时操作系统的高性价比ARM9工控主板产品。EM9160最多可支持16位方向可独立设置的GPIO，这些GPIO均可被用来作为同步串口接口SPI的信号。在本文以下部分，SPI信号方向都是以工控主板EM9160为参考的。4线制的SPI接口其接口信号包括：

1. SPI_CS：SPI片选信号，低电平有效；从EM9160输出，接到TLC2543。
2. SPI_CK：SPI接口的同步时钟信号；从EM9160输出，接到TLC2543。
3. SPI_DO：SPI接口数据输出，从EM9160输出的转换命令，输入到TLC2543。
4. SPI_DI： SPI接口数据输入，从AD芯片输出的转换数据，输入到EM9160。

用EM9160的GPIO仿真SPI接口的第一步是根据具体的设计情况，选择合适的GPIO信号来作为SPI的各个信号，用C代码可表述如下：

#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 0x3000
#define GPIO15_PIN 0x4000

//
// 输入输出方向是以主板为参考来定义的。
//
#define SPI_CS_PIN GPIO0_PIN //可根据实际情况更改
#define SPI_CK_PIN GPIO1_PIN //可根据实际情况更改
#define SPI_DI_PIN GPIO2_PIN //可根据实际情况更改
#define SPI_DO_PIN GPIO3_PIN //可根据实际情况更改

第二步是实现SPI各个控制信号的操作函数，即各个控制信号的置位和清零以及输入状态的读入。通过调用EM9160_ISA_DIO.LIB中的相关GPIO函数，函数原型定义在头文件“em9160_dio_ex.h”中，可很容易实现下列函数：

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// SPI接口各管脚控制函数
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void Set_SPI_CS() //SPI片选置高，注意SPI_CS片选一般是低有效信号
{
PIO_OutSetEx( SPI_CS_PIN );
}

void Clear_SPI_CS() //SPI片选清零，注意SPI_CS片选一般是低有效信号
{
PIO_OutClearEx( SPI_CS_PIN );
}

void Set_SPI_CK() //SPI时钟置高，注意SPI_CK初始状态为低
{
PIO_OutSetEx( SPI_CK_PIN );
}

void Clear_SPI_CK() //SPI时钟置低，注意SPI_CK初始状态为低
{
PIO_OutClearEx( SPI_CK_PIN );
}

void Set_SPI_DO() //SPI数据输出高电平
{
PIO_OutSetEx( SPI_DO_PIN );
}

void Clear_SPI_DO() //SPI数据输出低电平
{
PIO_OutClearEx( SPI_DO_PIN );
}

int Get_SPI_DI() //读取SPI数据输入电平，'0'表示低电平，'1'表示高电平
{
UINT16 uState;

PIO_StateEx( &uState );
if(uState & SPI_DI_PIN)
{
return 1;
}

return 0;
}

void Init_SPI() // 设置SPI接口各控制信号，只初始化阶段运行一次。
{
Set_SPI_CS();
Clear_SPI_CK();
Clear_SPI_DO();

//设置SPI_CS、SPI_CK、SPI_DO为数据输出
PIO_OutEnableEx( SPI_CS_PIN | SPI_CK_PIN | SPI_DO_PIN );

//设置SPI_DI为数据输入
PIO_OutDisableEx( SPI_DI_PIN );
}

第三步就是根据SPI的时序，构造相应的读写函数。TLC2543是4线制SPI接口，因此它的读写操作是同时进行的，即所谓全双工串行数据传输。在构造函数时，需要仔细研究AD芯片数据手册上提供的SPI接口时序关系，如下图所示：

这里需要注意的有以下几点：

1. 在SPI_CS片选有效后，TLC2543将把上次AD转换的数据，按MSB在先的顺序，呈现在SPI_DI信号线上，并在SPI_CK的下降沿更新数据；
2. SPI_CK的上升沿将把对AD芯片的操作指令锁存到AD芯片，输出的数据也是按MSB在先的顺序。
3. 输入AD的操作指令只有8个bit，而从AD读出的转换数据有12个bit，在读入低4bit时，输入指令用“0”填充。
4. 芯片数据手册中串行输入输出数据与我们的定义SPI_DO和SPI_DI是正好相反的。

根据上述时序构造的启动AD转换并读取上次转换结果的函数如下：

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 输入参数uCmdCode：发送给AD芯片的转换命令，具体内容参考AD数据手册
// 输出参数pADData：从AD读取的数据，低12-bit有效
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
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），是为了保证在下次调用函数时，AD的数据已转换完毕。应用程序也可采用其他方法来保证AD有足够时间，在应用程序再次调用ReadAD（…）前已完成数据转换。特别需要注意的是，第一次调用ReadAD（…）读取的数据是无意义的，因为此时还没有设置转换命令。在SPI输入输出过程中，是否加入适当的延时，主要是由AD芯片SPI接口的响应速度来决定的，客户可查看所选AD芯片，如TLC2543，的数据手册，就可获得正确的选择。

尽管本文是以EM9160为例来介绍如何构造SPI接口的，这个方法也完全适合英创公司的其他嵌入式工控主板产品，如EM9000、EM9161、EM9260、ETR232i等。对于不同的主板，主要的修改在第二步骤中对SPI接口信号操作函数的实现上。此外，英创公司还准备了3线制SPI接口以及I2C接口的范例参考代码，需要使用的英创用户可联系免费获得。