毕设文献综述

文献综述

学院：信息科学与技术学院

专业班级：测控技术与仪器1203班学号：120401301

学生姓名：鲁旭宸

指导教师：

2016年3月10日

SPI总线及多路数据采集的发展及应用

测控技术与仪器专业1203班鲁旭宸120401301

1.前言

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议

2.SPI协议概括

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK （时钟）、CS（片选）。

（1）SDO –主设备数据输出，从设备数据输入；

（2）SDI –主设备数据输入，从设备数据输出；

（3）SCLK –时钟信号，由主设备产生；

（4）CS –从设备使能信号，由主设备控制。

其中，CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

要注意的是，SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输

方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。处理、存储、显示、记录和控制等要求。

2.1 SPI总线时序

SPI接口在Master控制下产生的从器件使能信号和时钟信号，两个双向移位寄存器按位传输进行数据交换，传输数据高位在前，低位在后（MSB first）。如图1所示，在SCK的下降沿上数据改变，上升沿一位数据被存入移位寄存器。

图1

在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：

1) Master通过MOSI线发送1位数据，同时Slave通过MOSI线读取这1位数据

2) Slave通过MISO线发送1位数据，同时Master通过MISO线读取这1位

数据

Master和Slave各有一个移位寄存器，如图2所示，而且这两个移位寄存器连接成环状。依照SCK的变化，数据以MSB first的方式依次移出Master寄存器和Slave寄存器，并且依次移入Slave寄存器和Master寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

图2

另外，SPI有四种工作模式，通过设置时钟空闲时为高或者低的状态，以及数据是在时钟的上升沿或下降沿锁存可将SPI配置成相应的工作模式。

2.2 SPI总线注意点

1) Master配置SPI接口时钟的时候一定要考虑从设备的操作时序要求，因为Master这边的时钟极性和相位都是以Slave为基准的。因此在时钟极性的配置上一定要确定Slave是在SCK的下降沿还是上升沿输出数据，是在SCK的上升沿还是下降沿接收数据。

2) 当Slave时钟频率小于Master时钟频率时，如果Master的SCK的速率太快，会出现Slave接收到的数据不正确，而SPI接口又没有应答机制确认Slave 是否接收到数据从而导致通信传输数据错误。

3.多路数据采集

3.1 典型数据采集系统

典型数据采集系统配置如图3所示，有的已实现集成化，多个传感器的预处理电路输出接入多路模拟开关，然后经过取样/保持电路和A/D转换后进入CPU 系统。

图3

（1）传感器是经典的利用各种原理将被测物理量转化为电信号。

（2）预处理模块是将模拟信号进行调整、放大，在模拟电路方便实现的基础上对信号进行自动补偿、自动校正，抑制温漂的模块。

（3）数据采集A/D模块将模拟信号进行采样、量化，转化为数字信号。

（4）计算机可能为PC机、单片机或其他专用处理器，具有数据存储、记忆与信息处理功能，具有判断、决策处理功能。

3.2 数据采集系统概述

数据采集是信息科学的一个主要组词成部分，信息技术的核心是信息获取，通信和计算机技术，常被称为3C技术，其中信息获取是基础和前提。数据采集是获取信息的主要手段，它随着科学技术的进步而得到迅速发展。目前各种各样的数据采集系统已得到广泛应用，新型数据采集系统仍不断涌现。

随着科学技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛领域中，计算机控制技术正发挥着越来越主要的作用，然而外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续

的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁。

数据采集技术是信息科学的主要组成部分，它是以传感器技术、信号检测与处理、电子学、计算机技术等方面技术为基础而形成的一个综合应用技术学科，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术有广阔的发展前景。

3.3 数据采集目的

数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

数据采集的目的是为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。基于PC的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。

3.4 数据采集原理

在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。

假设对一个模拟信号x(t）每隔Δt时间采样一次。时间间隔Δt被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/Δt被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0，Δt,2Δt,3Δt……等等，x(t）的数值就被称为采样值。所有x(0),xΔt),x（2Δt）都是采样值。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做奈奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。

采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混频偏差（aliasfrequency）是输入信号的频率和最

靠近的采样率整数倍的差的绝对值。

采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50Hz）的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了30、40和10Hz的畸变频率F2、F3和F4。计算混频偏差的公式是：

混频偏差=ABS(采样频率的整数倍-输入频率）

其中ABS表示“绝对值”，

为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。这个滤波器称为抗混叠滤波器。采样频率应当怎样设置。也许可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。

通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如FFT等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有5～10个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n）和采样频率。这是测量与分析的唯一依据。数据采集卡，数据采集模块，数据采集仪表等，都是数据采集工具。

4.总结

随着微处理器的发展及其在各领域的广泛应用，人们对电子测量技术和电子仪器系统提出越来越高的要求，对测试速度和精确度的要求也与日俱增。测试系统主要包括对实时数据的高速采集、现场显示和分析处理3部分，其中最重要的一环就是实时数据高速采集，因为它关系到能否真实反映被测对象的状态和性能。

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