MSP430F449的数字电位器分压功能设计
MSP430单片机具有丰富的外围模块,如MSP430F449就包含8组I/O端口、精密模拟比较器、硬件乘法器、串行通信可软件选择UART/SPI模式等。在实际的应用中,USART接口具有极佳的通用性,出于扩展接口的目的,往往通过软件模拟SPI,以获得更多的SPI接口。本文就是通过软件模拟实现了SPI通信,来驱动和控制数字电位器的。数字电位器也称为数控电位器,是一种用数字信号控制阻值改变的器件。数字电位器与机械式电位器相比,具有可程控改变阻值、耐震动、噪声小、寿命长、抗环境污染等优点,因而在自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等许多领域得到成功应用。1 SPI概述
串行外围设备接口SPI(Serial Peripheral Interface)总线技术是一种同步串行接口,其硬件功能很强,所以与SPI有关的软件相当简单,使CPU有更多的时间处理其他事务。SPI总线上可以连接多个可作为主机的MCU,装有SPI接口的输出设备、输入设备(如液晶驱动)以及A/D转换等外设,也可以简单连接到单个TTL移位寄存器的芯片。总线上允许连接多个设备,但在任一瞬间只允许一个设备作为主机。串行模块工作在SPI模式,通过4线(SOMI、SIMO、SCK及STE)或者3线(SOMI、SIMO、SCK)同外界通信:
SOMI——串行数据输入(从出主入)。
SIMO——串行数据输出(主出从入)。
SCK——串行移位时钟。
STE——从机模式发送/接收允许控制信号。
数据的传输由SCK决定,数据可以在SCK的上升沿或者下降沿输出。因为SPI接口定义具有很大的灵活性,因此导致各个厂商带有SPI接口的芯片在工作时序上并不一致,所以使用时要注意芯片SPI接口工作时序的差别。
2 数字电位器构成及应用说明
本文用到的是MCP4251数字电位器,该电位器是双电阻网络的,MCP4251器件框图如图1所示。
图1 MCP4251器件框图
利用该器件可以构造一些线性的函数,这些函数可以用抽头和接线端B之间的电阻来表示。数学模型为:
该器件支持SPI串行协议。该SPI以从模式工作,最多使用4个引脚。这些引脚是CS(片选)、SCK(串行时钟)、SDI(串行数据输入)、SDO(串行数据输出)。图2给出了典型的SPI接口。
图2 SPI接口
MCP4251的SPI模块支持两种标准的SPI模式,分别是模式00和11。SPI模式由SCK引脚的状态决定。在模式00下,SCK空闲状态=低电平,数据在SCK的上升沿从SDI引脚传入,在SCK的下降沿从SDO引脚传出。在模式11下,SCK空闲状态=高电平,数据在SCK的上升沿从SDI引脚传入,在SCK的下降沿从SDO引脚传出。图3给出了两种模式下的SPI波形。
图3 SPI波形图
在每种模式下,都有4个可能的命令。8位命令(递增抽头和递减抽头命令)中包含命令字节,而16位命令(读数据和写数据命令)中包含命令字节和数据字节。命令字节中包含两个数据位。图4给出了通用SPI命令格式。
图4 SPI命令格式
3 MSP430软件模拟SPI串口的实现
本文采用MSP430F449单片机的I/O口模拟SPI通信,选用SCK下降沿输出、上升沿输入的SPI三线接口类型。定义单片机MSP430F449的P3.4端口为输出MOSI,P3.5端口为时钟信号SCK,P3.7端口为片选输入CS,P4.0端口为输入MISO。在P3.5下降沿时,输出数据data的高位,然后把P3.5的电压拉高,data中的数据依次右移1位,再将P3.5的电平拉低,再次输出data的高位,实际这时输出的是原来data中的次高位,data如此重复右移8次就完成了1个字符的输出。实现该功能的代码如下:
for(i=0;i<8;i++){
P3OUT &=~BIT5;//P3.5输出0,制造时钟的下降沿
if(data & BIT7)//发送data的高位
P3OUT |=BIT4;//P3.4输出1
else
P3OUT &=~BIT4;//P3.4输出0
P3OUT |=BIT5;//制造时钟的上升沿
data <<=1;//data中的数据右移
}
同理,把P3.5的输出电平拉高,制造时钟的上升沿,检测输入引脚P4.0的电平,将其记入data中,再将P3.5的输出电平拉低,这时就接收好1个字符位了,然后将data接收到的字符位右移1位,准备继续接收字符下一位,如此重复8次后就收到1个完整的字符,代码如下:
for(i=0;i<8;i++){
P3OUT |=BIT5;//SCK上升沿
if(P4IN& BIT0) {//判断收到的电平信号
data <<=1;
data=data+BIT0;
}
else
data <<=1;
P3OUT &=~BIT5;//SCK下降沿
}
v如果是选用SCK下降沿输入、上升沿输出的SPI接口类型,只需要把上面接收和发送程序中SCK的上升沿和下降沿交换即可满足时序要求。模拟串口通信的代码简单,灵活性强,可以在具体的SPI读写程序中实现其硬件接口的功能。1个SPI的时钟周期就是执行上述模拟串口指令所需要的时间,因此其串口速率主要由系统时钟来决定,提高系统时钟频率能够进一步提高SPI串口的传输速率。
4 MSP430模拟SPI驱动数字电位器实例
图5 引脚连接图
图5为芯片与单片机连接的引脚连接图。片选CS在低电平时有效。按照时序图和引脚连接图,首先需要定义MSP430F449的I/O端口,P3.4为MOSI,P3.5为SCK,P3.7为CS,P4.0为MISO。
由于使用MSP430F449的I/O模拟串口通信,没有使用中断函数,只需要调用一个子函数就能实现其功能,因此在操作上相比硬件而言更加简单。下面给出了写数据命令和递增命令的子函数。
void SPI_write_command(char *buffer,int cnt) {//写数据命令子函数
char data;
int i,j;
for(j=0;j<2;j++) {
data=buffer;
for(i=0;i<8;i++) {
P3OUT &=~BIT5;
if(data & BIT7)
P3OUT |=BIT4;
else
P3OUT &=~BIT4;
P3OUT |=BIT5;
data <<=1;
}
}
}
void SPI_inc_command(char value){//递增抽头命令子函数
char data;
int i,j;
while(1){
P3OUT &=~BIT7;
while((P3OUT &=BIT7)==0){
data=value;
for(i=0;i<8;i++){
P3OUT &=~BIT5;
if(data & BIT7)
P3OUT |=BIT4;
else
P3OUT &=~BIT4;
P3OUT |=BIT5;
data <<=1;
}
P3OUT ^=0x80;
}
for(j=0;j<30000;j++);//软件延时
}
}
在主程序中进行初始化及调用两个子函数:
void main(void){
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//停止看门狗
P3DIR=0xB0;//用P3口模拟SPI通信
Char command0={0x41,0xf8},//初始化TCON寄存器命令字节
command1={0x10,0x00};//初始化易失性抽头1命令字节
char command2=0x14;//初始化抽头1递增命令
P3OUT &=~BIT7;
SPI_write_command(command0,2);//调用写数据函数
P3OUT |=BIT7;
P3OUT &=~BIT7;
SPI_write_command(command1,2);
P3OUT |=BIT7;
SPI_inc_command(command2);//调用递增函数
}
此程序通过MSP430开发工具IAR Embedded Workbench编译、运行,并下载程序运行。由于此程序是控制电阻网络1的,通过万用表来测电阻网络1的抽头和B端之间的电阻变化情况,可以看到电阻呈增长变化。由此可以看出程序是可执行的,而且达到了预期的效果。然后在两端加上电压,可以发现所分的电压也呈现增长趋势,实现了良好的分压功能。表1为电压表显示的部分读数。
表1 电压表部分读数
结语
本文描述了MSP430F449单片机模拟SPI通信接口的实现,并用模拟SPI接口与电位器之间实现了很好的通信,给出了在IAR编译环境下编写的控制程序,控制电位器抽头的移动规律。实验表明系统能够很好地实现电位器的分压功能。利用数字电位器可以模拟一些线性函数的变化趋势,建立数学模型来模拟现实生活中的一些物理量的变化情况。此外该功能函数的结构简单,可靠性高,该方法同样适用于其他类型单片机。
参考文献
沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.北京:清华大学出版社,2004.
胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发.北京:北京航空航天大学出版社,2003.
张经爱,许凯华,刘玉华.基于MSP430的模拟SPI串口通信的实现.计算机工程与设计,2008,29(5):11691171.
Microchip Technology Inc. MCP413X/415X/423X/425X data sheet,2008.
王若男(硕士研究生),研究方向为嵌入式系统研究及应用;韩进(教授),主要研究领域为智能控制、信息融合、智能预测等。
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