信息钮门禁-基于SPI协议的数据采集系统.doc

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开放实验项目报告

实验项目
SPI协议编程与器件应用
学生姓名
罗叶森
班级学号
B10050419
学 院
自动化学院
专 业
测控技术与仪器
指导教师
张 熠
指导单位
电工电子实验教学中心

摘要
本系统实现的是基于SPI协议的简易数据采集系统。用c语言编程，通过TLC2543模数转换器实现数据的采集，再采用存储器AT24C1024存储数据，数据经过单片机STC89C52进行处理后，最终在虚拟终端上进行显示。系统以单片机为主控器，在单片机系统实现了读写。
关键字：SPI 数据采集，模数转换，AT24C1024存储。

目 录

绪言……………………………………………………………………4

第一章 系统方案…………………………………………………5

第二章 系统硬件设计…………………………………………………6
2.1 SPI协议介绍…………………………………………6
2.2 主要器件介绍…………………………………………7 2.3 电路原理图……………………………………………9

第三章 系统软件设计………………………………………………9
3.1 SPI协议设计……………………………………9
3.2主程序设计………………………………………11

第四章 仿真情况………………………………………………………20

第五章 小结…………………………………………………………20

绪 言
随着技术与社会的发展，在很多领域实现需要数据的精密采集和处理，它是各种实验及各种工业制造的基础。其中数据的采集及处理系统就是其中的一个典型例子。数据的采集及处理系统是现代化发展的需要，它集微机自动识别技术和数据采集存储显示技术，涉及了电子，机械，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。它是各种行业功能实现的基础。适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等。

第一章 系统设计方案
在本系统中，控制器采用单片机ATC89C52，TLC2543作为A/D进行数据采集，采用 AT24C1024进行存储，并在虚拟终端上显示
下图所示的是数据的采集及处理系统总体设计框图。

主控器
AT89C52
显示器
A/D模数转换，采集数据
数据传输

AT24C1024
存储器
数据传输

RS232
PC

第二章 系统硬件设计
2.1 SPI协议介绍
SPI是高速同步串行口，是一种标准的四线同步双向串行总线。
　　SPI，就是串行外围设备接口。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。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. SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。
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（用于单向传输时，也就是 半双工方式）。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），SCK（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。
负责通讯有3根线，通讯是通过数据交换完成的，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SCK时钟线存在的原因，由SCK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。

2.2 主要器件介绍
（1） AT89C52的简单介绍

AT89C52与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz 、三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。

端口引脚 第二功能：

　P1.0 T2 （定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
　P1.5 MOSI（在线系统编程用）
　P1.6 MISO（在线系统编程用）
P1.7 SCK（在线系统编程用）
P3.0 RXD(串行输入口)
　P3.1 TXD(串行输出口)
　P3.2 INTO(外中断0)
　P3.3 INT1(外中断1)
　P3.4 TO(定时/计数器0)
　P3.5 T1(定时/计数器1)
　P3.6 WR(外部数据存储器写选通)
　P3.7 RD(外部数据存储器读选通)
　　此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

（2）TLC2543的简单介绍

TLC2543C 和 TLC2543I 是 12 位开关电容逐次逼近模数转换器。每个器件有三个控制输入端：
片选 （CS ），输入/输出时钟 （I/O CLOCK ）以及地址输入端 （DATA INPUT ）。它还可以通过一个串行的3 态输出端 （DATA OUT ）与主处理器或其外围的串行口通讯，输出转换结果。本器件可以从主机高速传输数据。 除了高速的转换器和通用的控制能力外，本器件有一个片内的14 通道多路器可以在 11 个输入通道或3 个内部自测试 （self-test ）电压中任意选择一个。采样-保持是自动的。在转换结束时，“转换结束”（EOC ） 输出端变高以指示转换的完成。本器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。
2.1 特点
·12 位分辨率A/D 转换器
·在温度范围内10 μs 转换时间
·11 个模拟输入通道
·3 路内置自测试方式
·固有的采样与保持
·线性误差 ±1LSB Max
·片内系统时钟
·转换结束 （End-of-Conversion ，EOC ）输出
·单极性或双极性输出 （有符号的双极性，相对于所加基准电压的1/2 ）
·可编程的MSB 或LSB 前导
·可编程的输出数据长度
·采用CMOS 技术
·可提供应用笔记*

2.2功能框图

2.3详细说明
一开始，片选 （CS ）为高，I/O CLOCK 和DATA INPUT 被禁止以及DATA OUT 为高阻抗状态。CS 变低开始转换过程，I/O CLOCK 和DATA INPUT 使能，并使DATA OUT 端脱离高阻抗状态。 输入数据是一个包括一个4 位模拟通道地址 （D7 ～D4 ）、一个2 位数据长度选择 （D3 ～D2 ）、一
个输出MSB 或 LSB 在前的位 （D1 ）以及一个单极性或双极性输出选择位 （D0 ）的8 位数据流，这个数据流是从DATA INPUT 端加入的。输入/输出时钟系列是加在I/O CLOCK 端，以传送这个数据到输入数据寄存器。在这个传送的同时，输入/输出时钟系列也将前一次转换的结果从输出数据寄存器移到DATA OUT 端。 I/O CLOCK 接收输入系列的8 、12 或 16 个时钟长度取决于输入数据寄存器中的数据长度选择位。模拟输入 的采样开始于输入I/O CLOCK 的第4 个下降沿而保持则在I/O CLOCK 的最后一个下降沿之后。I/O CLOCK 的最后一个下降沿也使EOC 变低并开始转换。
2.3.1 转换工作
转换器的工作分成连续的二个不同的周期： （1 ）I/O 周期， （2 ）实际转换周期。I/O 周期由外部提供的I/O CLOCK 定义，延续8 、12 或 16 个时钟周期，这取决于选定的输出数据的长度。
2.3.2 I/O 周期
在I/O 周期中，同时发生二种操作：
a. 一个包括地址和控制信息的8 位数据流被送到DATA INPUT 。这个数据在前 8 个输入/输出时钟的上
升沿被移入器件。当 12 或 16 个I/O 时钟传送时，在前 8 个时钟之后DATA INPUT 便无效。
b. 在DATA OUT 端串行地提供 8 、12 或 16 位长度的数据输出。当CS 保持为低时，第一个输出数据 位发生在EOC 的上升沿。若转换是由CS 控制，则第一个输出数据位发生在CS 的下降沿。这个数据是前一次转换的结果，在第一个输出数据位之后的每个后续位由后续的I/O 时钟每个下降沿输出。
2.3.3. 转换周期
转换周期对用户是透明的，它是由I/O 时钟同步的内部时钟来控制的。当转换时，器件对模拟输入电压完成逐次逼近式的转换。在转换周期开始时EOC 输出端变低而当转换完成时变高，并且输出数据寄存器被锁存。只有在I/O 周期完成后才开始一次转换周期，这样可减小外部的数字噪声对转换精度的影响。
2.3.4上电和初始化
在上电后，CS 必须从高变到低以开始一次I/O 周期。EOC 开始为高，输入数据寄存器被置为全零。输出数据寄存器的内容是随机的，并且第一次转换的结果将被忽略。为了对器件初始化，CS 被转为高再回到低以开始下一次I/O 周期。在器件从掉电状态返回后的第一次转换，由于器件的内部调整，读数可能不准确。
2.4 数据输入
数据输入端在内部被连接到一个 8 位的串行输入的地址和控制寄存器。该寄存器规定了转换器的工作和输出数据的长度。主机提供的数据字是以MSB 为前导的。每个数据位都是在I/O CLOCK 序列的上升沿被输入的 （见表 1 中数据 “输入寄存器格式”）。
2.5 时序图

第三章 软件设计
3.1　SPI协议编程
按照SPI协议规范，编写程序如下：
void ADpian(uchar x)
{
uchar i;
shugao=0;
shudi=0;
cs=0;
delay1ms(20);
for(i=0;i<8;i++)
{
io_clock=0;
x=x<<1;
date_in=CY;
io_clock=1;
shugao=shugao<<1;
shugao|=date_out;
}
for(i=0;i<4;i++)
{
io_clock=0;
date_in=0;
io_clock=1;
shudi=shudi<<1;
shudi|=date_out;
}
for(i=0;i<4;i++)
{
io_clock=0;
io_clock=1;
shudi=shudi<<1;
shudi|=date_out;
}
io_clock=0;
cs=1;
}
3.2主程序设计

系统软件采用结构化设计，主程序主要代码如下：
void main()
{
uchar i=0x00,a,b,c,count=0;

uchar send_data=0x09;
unsigned char receive_data;
Serial_init();
while(1)
{
ADpian(0x0c);
delay1ms(20);
ADpian(0x0c);
da1=shugao*256+shudi;

da=da1/16;
send_data=xianshi(da);

delay(10000);
write_1024(i,send_data,1);
delay(1000);
receive_data=read_1024(i,1);
i=i+1;
a=da%10;
b=da/10%10;
c=da/100;
if(count>0)
{

Serial_send(0x20);
Serial_send(c+0x30);
Serial_send(b+0x30);
Serial_send(a+0x30);
Serial_send(0x20);
}
count++;
if(count%12==0)
{
Serial_send(0x0a);
Serial_send(0x0d);
delay(5);
//count=0;
}
delay(5);

}}

第四章 仿真情况
4.1 整体电路图

4.2 数据采集结果显示

4.3 数据存储结果显示

4．4虚拟终端结果显示

4.5 局部电路图

第五章 小结
SPI接口应用非常广泛，协议简单实用性强，支持高速传输，采用单片机编程实现可以加深对协议的理解，对其它串行协议如I2C、MICROWIRE等可以触类旁通。本实验还提高了单片机系统设计编程能力和对相关软件的使用。使自己的电子技术应用水平有了很大提高。

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