基于STM32的16位串行模数转换器ADS8509的应用

2022-07-05路晓张勇言行果吉耀辉刘宜欣

电脑知识与技术 2022年14期

路晓张勇言行果吉耀辉刘宜欣

摘要：随着嵌入式技术的迅速发展，数据采集已成为控制电路中不可或缺的一部分，因此，数模转化器和单片机被广泛应用于各种控制电路中。ADS8509是德州仪器公司生产的16位串行模数转换器。文章通过分析ADS8509的工作原理、接口特点及使用方法，给出了在内部时钟模式下，ADS8509与STM32单片机的数据采集电路和相关程序代码，得到基于STM32的ADS8509的使用方法。

关键词：模数转换器;数据采集;单片机;外围电路;内部时钟

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）14-0009-03

1 引言

单片机是嵌入式系统中的核心部件[1]，STM32是意法半导体公司生产的一款微控制器产品系列的总称[2]，本质上也是一款单片机。这款单片机吸取了其他单片机内部结构、外设等的优点，并做了一些重要的改变，主要是程序存储器的可擦除次数，语句执行速度等。本文主要采用STM32F1系列单片机，它具有集成度高、低功耗、低成本、集成接口丰富、实时性强、处理速度快等优点[3-6]。

模数转换器简称A/D转换器或ADC，是指将模擬信号转换成数字信号的电子元件，是现实世界中模拟量向数字量转换的桥梁，是现代电子技术发展的关键[11-13]。目前有多种类型的A/D转换器，有传统的并行、逐次逼近型、积分型、型和流水线型等[14-15]。本文介绍的ADS8509是一种CMOS结构的逐次逼近寄存器型A/D转换器，具有高速、相位误差小、噪声和漂移低、功耗低、易于生产等优点。

2 STM32及ADS8509主要性能及相关管脚说明

2.1 主要性能

STM32F1系列单片机采用ARM公司的高性能“Cortex-M3”内核，兼容5V的I/O管脚，内嵌复位电路、RC振荡器，且外设接口丰富，如：串行调试和JTAG接口、DMA、A/D和D/A转换器、串行通信接口、SPI通信接口、I2C通信接口等[6-10]。最高工作频率72M，但采用内部时钟时，最高工作频率为64M。片上集成32-512KB的Flash存储器和6-64KB的SRAM。

ADS8509是一款具有250KHz采样速率， 16位串行数据输出的高速模数转换器，兼容模拟量输入、串口输出、SPI串行通信协议，最大非线性误差小于±2LSB的A/D转换器。采用CMOS技术并具有单电源供电功能。ADS8509具有双极性和单极性两种电压输入方式，本电路采用该芯片的单极性工作方式，电压输入范围为0～5V。数据输出采集有内部时钟和外部时钟两种参考基准，使用外部时钟时，该芯片通过接收外部时钟来实现数据采集传输，采用内部时钟时，只要给控制信号，芯片会自己发送时钟信号，进行传输。本电路以内部时钟和电压参考源为基准，采用二进制编码方式输出十六位串行数据。

2.2 管脚说明

单片机STM32管脚众多，本文中用到的主要是其SPI接口和调试接口，因此只对这部分功能进行说明。通常SPI 通讯使用四条连接线：SCK、MOSI、MISO、NSS，其中NSS为选择信号线，其他均为数据线，它们的具体功能如下：

（1） NSS：从设备选择线，也称为CS。用于多个从设备共用SCK、 MOSI及 MISO三条信号线。当有多个SPI从设备时，所有从设备的三条信号线全部并联在一起，共用三条数据线，但是有多少个从设备必须有多少个从设备选择线，即片选信号线。片选信号低电平有效，即当该从设备的片选信号为低电平时，该从设备被选中与主机进行SPI通讯，变为高电平时，通讯结束。因为SPI协议中没有设备地址，所以通过NSS信号来选择通讯地址。

（2） SCK：SPI传输时钟信号线，主要用于传输数据的同步。进行通讯时，不同设备具有不同的通信速率，它由通讯主机产生，主要决定了数据传输的速率。但是数据的传输的速率和两个设备所能承受的最大传输速率都有关系，如STM32系列单片机SPI时钟的最大频率为fpclk/2，进行设计时除了要考虑芯片的传输速率还要考虑STM32的传输速率。

（3） MOSI：主设备输出/从设备输入引脚。这条线主要是用作数据传输的，由于STM32可以作为主设备也可以作为从设备，所以需要区分数据传输时，它接收还是发送，这条数据线代表主机用来输出数据的信号线，因此这条信号线的方向为从主机到从机。

（4） MISO：主设备输入/从设备输出引脚。与上面那条数据线相反，这条数据线的方向是从机到主机，这条信号线主要是用来接收数据的。

ADS8509工作温度范围在-40℃～85℃之间。它有20引脚SO和28引脚SSOP两种封装形式，引脚图如图1所示。本文使用的是20引脚SO封装形式的芯片，并且采用单极性5V供电电源。下面对芯片的主要引脚进行介绍：

SB/：用来选择是用二进制输出还是用二进制补码形式输出。该引脚电平为低时，用补码形式输出，为高时，用标准二进制输出。

EXT/>：用来选择时钟模式，当该引脚电平为高时，采用外部时钟模式;为低时，采用内部时钟模式。

：用来判断芯片是否转换完成，即忙输出。芯片转换开始后，该信号引脚会输出低电平，直到转换完成变成高电平。

R/：用于芯片开始转换的信号。检测到该引脚低电平，启动芯片AD转换。

TAG：该芯片可以级联，该引脚用于外部时钟模式下选择输入端。

DATA：用于采集数据的输出。

DATACLK：用于选择芯片时钟，同步数据输出。在内部时钟模式下，为时钟输出端;在外部时钟模式下，为数据输入端。6614696C-949E-448D-B7F8-D701A45A26B1

SYNC：同步输出，一般用在外部时钟情况下。

3 ADS8509的工作原理

有两个信号来控制ADS8509的转换：和R/，一般情况下，始终保持低电平，这样ADS8509的转换和数据输出都只由R/信号控制。采用外部时钟模式还是内部时钟模式由EXT/控制。

（1）内部时钟模式：

当ADS8509片选信号保持低电平同时EXT/为低电平，采用内部时钟模式。在该模式下，DATACLK为输出端，同时控制信号R/的下降沿可以使ADS8509内部的采样—保持器进入保持状态，同时启动转换并将上一次的转换结果通过DATA引脚输出。其中输出数据DATA与时钟引脚DATACLK同步，其工作时序如图2所示：

（2）外部时钟模式：

和内部时钟模式相似，该芯片片选控制信号CS被置为低电平，时钟选择引脚被置为高电平时使用外部时钟模式，同时将TAG引脚接低电平。采用外部时钟模式时，一般开始BUSY信号为高电平时开始读数，读的是上一次转化的数据，数据与外部输入时钟同步移入DATA引脚中。读数据允许的最高传输频率为28.5MHz.

在采用外部时钟时，外部时钟可以是间断的也可以是连续的。顾名思义，间断的外部时钟就是需要读取数据的时候就给外部时钟，连续的外部时钟是一直给外部时钟。考虑到灵活性和稳定性一般采用间断模式，即需要读数据的时候输入外部时钟。

外部时钟模式下的工作时序如图3所示：

4 ADS8509与单片机STM32接口的应用电路

5 结语

本文详细描述了ADS8509芯片的性能及工作原理。设计了在内部时钟模式下，ADS8509与STM32单片机硬件接口的数据采集电路，同时给出了程序代码，得到正确使用该数模转换器ADS8509的方法。此外，ADS8509的控制引脚，很容易受到外部信号的干扰，设计电路时应做好相应的滤波处理，同时注意采样速率，过快的采样速率，容易导致数据出现乱码。

参考文献：

[1] 曾尧.基于STM32的智能小车循迹优化设计[J].机械工程师，2022（1）：25-27.

[2] 王勇，李绍铭，贾茂盛，等.基于STM32的学习型红外遥控器[J].工业控制计算机，2021，34（12）：139-140，143.

[3] 康健，袁志钢，陈静，等.基于STM32的消防物联网网关设计[J].工业控制计算机，2021，34（12）：118-119，149.

[4] 朱衍明，林九根，宋家平，等.基于嵌入式系统STM32的UUV通用运动控制层设计[J].计算机测量与控制，2021，29（12）：120-125.

[5] 刘军.基于STM32的智能灌溉控制系统设计[J].农机化研究，2022，44（10）：181-184.

[6] 未庆超，李振玲，商城超，等.伺服控制装置的STM32与FPGA通信模块设计[J].电子技术，2021，50（12）：4-6.

[7] 陈舒生，李荣浩，张晓龙.基于STM32F103的一种新型前混式商用燃气炉控制系统[J].科技风，2021（35）：25-27.

[8] 赵嘉豪，叶梁杰，罗心韵，等.基于STM32的光电搬运机器人设计与试验[J].机械制造与自动化，2021，50（6）：158-161，165.

[9] 刘天成，田学军.基于ESP8266与STM32的智能晾衣杆系统设计[J].山西电子技术，2021（6）：6-10.

[10] 郑争兵，韩团军，王桂宝.基于STM32的高精度电能测量系统设计[J].现代电子技术，2021，44（24）：29-33.

[11] 郭夏夏，俞水锋，田社平.基于PIC18F4550的USB数据采集系统的设计及应用[J].计量技术，2013（5）：34-37.