FPGA通过SPI对ADC配置简介(二)-4线SPI配置时序分析

本篇将以德州仪器(TI)的高速ADC芯片—ads52j90为例，进行ADC的4线SPI配置时序介绍与分析。

从ads52j90的数据手册我们不难发现，其SPI控制模块主要包含4根信号线SEN，SCLK，SDIN以及SDOUT。TI公司对其产品SPI配置信号的命名方式与通用的SPI信号命名方式不一样，但实际上SENSDINSDOUT分别对应CSBSDISDO。

SEN：SPI读写的使能信号；

SDIN：FPGA写入ADC的配置数据(寄存器地址和对应地址的值)；

SDOUT：ADC对应地址输出的配置寄存器数据；

SCLK：FPGA提供给ADC的SPI接口时钟。

首先介绍该ADC的SPI的写时序，datasheet给出的时序图如图1所示：我们首先大致看一下写时序图，能够了解到对于SDIN来说，需要先写入A7~A0的8bit的地址，接下来写入该地址下的16bit的寄存器数值D15~D0，也就是说每进行一次写操作需要不间断的写入24bit 的数据。

对于SEN来说，在进行写操作时，其一直保持低电平，写之前和写完后都保持高电平。对于SCLK来说，其上升沿每次采集每1bit SDIN数据的中心位置，共需要采集24次，才能完成这24bit SDIN数据的写入。

图1：SPI写时序图

上面三点就是我们初步看这个时序图所得到的结论。对于该ADC，按照这种方式进行写操作就不会有问题。实际上所有ADC的SPI写操作都有类似于上面介绍的共同准则，这里归纳如下：

1，无论SPI进行读还是写操作，SEN必须拉低，否则SPI不工作(既不读也不写)，读、写完成之后SEN必须拉高；

2，SDIN的数据每次在SCLK的上升沿写入SPI；

3，SDIN的数据组成一定是先写入配置寄存器地址，再连续写入配置寄存器数值；

图2：SPI时序要求

另外，我们看到时序图上有许多时间参数，我们在写代码时不仅要遵守以上的共同准则，还要满足这些参数的时序关系，并保留一定的时间量。datasheet都提供了这些参数的大小，如图2所示。比如tSCLK的最小值是50ns，意味着SPI的时钟最高20MHz。tSEN_SU 的最小值为8ns，就表示SEN下降沿至少提前第一个SCLK的上升沿时间8ns。tDSU 则表示SDIN的数据必须至少提前SCLK的上升沿5ns准备好，等等。只要遵守了相关的SPI准则以及datasheet里的SPI时序参数，SPI的写操作就不会有问题了。

现在我们介绍该ADC的SPI读时序，如图3所示。读操作的主要目的是监测ADC内部寄存器状态，从而判断ADC的配置状态是否符合用户的需求。从图上我们可以看到，SPI的读操作可以分解为两个部分：第一个部分是先写入A7~A0 8bit的寄存器地址到SDIN，然后SDOUT输出对应地址的16bit的寄存器数值。

这里重点强调一下：理论上来说，在上升沿锁存写入的地址最后1bit后，在接下来的每次SCLK下降沿，SDOUT输出1bit寄存器值，直到16bit寄存器数值完全输出。但实际上每次SCLK下降沿输出的数据只有经过tOUT_DV(12ns ~28ns)后才稳定，后端FPGA才能正确接收。从图上我们不难发现，FPGA在SCLK的上升沿附近获取SDOUT的数据是非常合适的，在这个位置获取的数据最稳定。

图3：SPI读时序图

4线SPI的读写时序分析就到这里了，再次强调几个关键点：

关键点1：SEN在读写操作时，必须拉低。读写完成之后，必须拉高。

关键点2：SDIN的数据每次必须在SCLK的上升沿写入SPI。对应的数据格式一定是寄存器地址+要写入的寄存器数值。

关键点3：SOUT的数据总是在SCLK的下降沿输出，因此选择FPGA在SCLK的上升沿获取SDOUT数据最稳定。

关键点4：一定要满足datasheet给出的SPI的时序参数，并在代码实现时要留有适当的时序裕量。

审核编辑：刘清