ADS1118与SPI通信协议：微控制器交互的奥秘


参考资源链接：[ADS1118中文手册：16位SPI模数转换器详解](https://wenku.csdn.net/doc/6412b745be7fbd1778d49b16?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ADS1118与SPI通信协议基础

在本章中，我们将探索ADS1118如何与微控制器通过SPI（Serial Peripheral Interface）通信协议进行高效数据交换的基础知识。首先，我们会介绍SPI通信协议的概况及其与ADS1118集成的必要性。随后，我们会逐步深入到SPI的四个主要信号线及其操作模式，并详细分析通信时序，确保你能对ADS1118和SPI之间的通信有一个清晰的认识。

## 1.1 SPI通信协议概述

SPI是一种广泛应用于微控制器和外设之间的高速同步串行通信协议。其主要优点包括全双工通信，简单易用和高速传输速率，使其成为与ADS1118模数转换器通信的理想选择。SPI协议支持多个从设备连接到单一主机上，而ADS1118作为从设备，在SPI通信中充当数据采集的角色。

## 1.2 SPI信号线和操作模式

SPI通信使用以下四条信号线：

- SCLK（Serial Clock）: 由主机提供的时钟信号。
- MOSI（Master Out Slave In）: 主机发送数据到从设备的数据线。
- MISO（Master In Slave Out）: 从设备发送数据到主机的数据线。
- SS（Slave Select）: 用于选择激活的从设备。

SPI有四种操作模式，分别由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）定义。模式0（CPOL=0, CPHA=0）是最常见的模式，适用于大多数ADS1118应用。

## 1.3 SPI通信时序分析

理解SPI的时序对于准确地编写和调试通信协议至关重要。我们来分析一个典型的SPI通信时序：

1. 主机将SS线拉低以选择一个从设备。
2. SCLK线开始产生时钟信号，MOSI线上的数据同步于这个时钟信号，被从设备接收。
3. 在同一时钟周期内，从设备通过MISO线发送数据回主机。
4. 通信完成后，SS线被拉高，结束该次通信。

接下来的章节中，我们将针对ADS1118的具体配置和编程，深入讲解如何将这些基础知识应用到实践中。

# 2. ADS1118的基本原理和特性

## 2.1 ADS1118的内部结构

### 2.1.1 模数转换器(ADC)核心组件

模数转换器（ADC）是ADS1118的核心组件之一，负责将模拟信号转换为数字信号，以便于微控制器能够处理。ADS1118是16位精度的Delta-Sigma型ADC，具有多个输入通道和可编程增益放大器（PGA），这允许其测量低至毫伏级的小信号，同时支持高达±256mV至±6.144V的大信号输入范围。

ADS1118的Delta-Sigma ADC利用过采样和数字滤波技术来实现高精度的模数转换。Delta-Sigma调制器以远高于信号频率的速率采样，然后数字滤波器对这种高速过采样信号进行处理，以得到最终的高精度数字输出。这种结构非常适合于测量精确的、变化缓慢的传感器信号。

ADS1118支持多种输入配置，包括单端和差分输入，这对于测量差分信号或减少噪声干扰提供了灵活性。PGA的可编程增益提高了ADS1118的灵活性，使其能够适应各种信号源和应用场合。

### 2.1.2 高级特性分析

除了其ADC核心组件外，ADS1118还具备一些高级特性，如内置的温度传感器、可编程数据速率、以及多种工作模式，这些特性让ADS1118成为一个多功能的数据采集设备。

内置的温度传感器允许用户测量ADS1118的内部温度，这对于监控设备的环境状况非常有用。用户可以通过读取特定的寄存器来获取温度数据，并使用已知的温度系数将读数转换为温度值。

通过软件配置，ADS1118可以设置不同的数据速率，从而在转换速度和功耗之间进行权衡。数据速率范围从8 SPS（每秒采样数）到860 SPS，这可以根据不同的应用需求灵活调整。

### 2.1.3 ADS1118的高级特性分析表格

| 特性 | 描述 | 作用 |
| ------------ | ------------------------------------------------------- | --------------------------------------------------------- |
| 温度传感器 | 内置的温度传感器可用于环境监测 | 监测ADS1118的内部温度，保证数据采集的准确性和稳定性 |
| 数据速率调整 | 支持8 SPS至860 SPS的数据速率，软件配置 | 根据应用需求调整ADC的转换速度和功耗 |
| 多通道输入 | 具备四个单端输入和两个差分输入通道 | 提供多种信号测量方式，适用于多种传感器和信号源 |
| 可编程增益 | 提供±256mV至±6.144V的输入范围，软件可调的PGA增益 | 增强对低信号的测量能力，适应不同的信号源 |
| 自校准 | 设备具备校准功能，减少长时间使用或环境变化造成的误差 | 提高测量数据的精确度，降低长时间工作误差 |

## 2.2 ADS1118的工作模式

### 2.2.1 单次转换模式

ADS1118的单次转换模式（Single-Shot Mode）适合于低功耗应用，或在不需连续数据的情况下使用。在单次转换模式下，ADC会在接收到命令后进行一次转换并返回结果，然后自动进入低功耗模式。该模式下，ADS1118的典型功耗可以低至200μA，非常适合于电池供电的便携设备。

### 2.2.2 连续转换模式

对于需要实时监控和处理数据的场合，连续转换模式（Continuous Mode）提供了连续的数据流。在该模式下，ADC持续不断地进行转换并将结果输出，适用于实时数据监测和快速响应的场景。

### 2.2.3 比较模式

ADS1118的比较模式（Comparator Mode）是一种低功耗的信号监测模式。它能够在用户设置的阈值条件被满足时唤醒系统，或通过一个数字输出引脚指示状态。这种模式适合于实现简单的信号检测和报警系统，可以显著降低系统的平均功耗。

### 2.2.4 ADS1118工作模式对比表格

| 模式 | 特点 | 应用场景 |
| ---------- | ------------------------------------------------------- | -------------------------------------------------------- |
| 单次转换 | 低功耗，单次采样后自动进入低功耗状态 | 电池供电的便携设备、周期性采样 |
| 连续转换 | 持续采样输出，适合实时数据流处理 | 实时数据监测、高速采样需求 |
| 比较模式 | 低功耗监控，阈值条件触发唤醒或状态指示 | 简单信号检测和报警系统、省电模式下的数据监测 |

## 2.3 SPI协议的基础

### 2.3.1 SPI通信原理

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种常见的串行通信协议，被广泛用于微控制器和各种外围设备之间的通信。SPI通信是全双工的，意味着数据可以在两个方向上同时传输。

SPI通信由四个信号线组成：SCK（时钟线）、MOSI（主设备数据输出，从设备数据输入线）、MISO（主设备数据输入，从设备数据输出线）、以及SS（从设备选择线，用于主设备选择特定的从设备进行通信）。数据在MOSI和MISO线上传输时，SCK线提供同步时钟信号。SS线负责在主设备和多个从设备之间进行选择，保证一次只有一个从设备与主设备通信。

### 2.3.2 SPI信号线和操作模式

SPI信号线和操作模式的设计对于确保数据准确传输至关重要。SPI有四种主要的操作模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）两个参数定义，分别对应四种时钟信号波形。

| 模式 | CPOL | CPHA | 时钟波形描述 |
| ---- | ---- | ---- | ------------------------------------------------------------ |
| 0 | 0 | 0 | 第一个时钟周期的中间之前，数据线是稳定的；第一个时钟周期的中间后，数据线是采样 |
| 1 | 0 | 1 | 第一个时钟周期的中间之前，数据线是采样的；第一个时钟周期的中间后，数据线是稳定的 |
| 2 | 1 | 0 | 第一个时钟周期的中间之前，数据线是采样的；第一个时钟周期的中间后，数据线是稳定的 |
| 3 | 1 | 1 | 第一个时钟周期的中间之前，数据线是稳定的；第一个时钟周期的中间后，数据线是采样的 |

主设备和从设备的SPI操作模式必须匹配，否则数据传输可能会出现错误。

### 2.3.3 SPI通信时序分析

SPI通信时序主要由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定，这两个参数定义了数据在时钟信号边沿的采样和稳定时间。在SPI通信中，数据在MOSI和MISO线上的传输是以字节为单位进行的。

以下是一个典型的SPI数据传输时序图：

sequenceDiagram
    participant M as 主设备
    participant S as 从设备
    Note right of M: 数据传输开始
    M->>S: SS低电平开始
    M->>S: SCK时钟信号
    S->>M: MISO数据线传输
    M->>S: MOSI数据线传输
    Note right of M: 数据传输结束
    M->>S: SS高电平结束

在上述时序图中，主设备首先将从设备选择线（SS）置为低电平以选择从设备，然后通过SCK线提供时钟信号，并通过MOSI线向从设备发送数据。从设备通过MISO线将数据返回给主设备。一旦数据传输完成，主设备将SS线置为高电平以结束通信。正确的时序控制对数据的准确性至关重要。

ADS1118作为SPI从设备，需要根据主设备的时序要求来配置自身的SPI通信参数。通过合理配置CPOL和CPHA参数，可以保证主设备和ADS1118之间的稳定通信。

在下一章节中，我们将深入探讨如何将ADS1118通过SPI与微控制器进行接口编程，实现精确的数据采集和处理。

# 3. ADS1118与微控制器的SPI接口编程

## 3.1 微控制器的SPI配置

### 3.1.1 SPI初始化设置

在利用微控制器进行通信之前，首先需要进行SPI接口的初始化配置。初始化步骤包括配置SPI的通信速率、时钟极性和相位、主从设备设置，以及数据格式等。以下是一个示例代码片段，展示了如何在基于STM32的微控制器上进行SPI初始化。

SPI_HandleTypeDef hspi1;

void MX_SPI1_Init(void)
{
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;  // 设置为主模式