适用于MS5611的SPI接口设计

适用于MS5611的SPI接口设计
崔璨;邓圣;代航阳;张杨;杨泰波
【摘要】MS5611是瑞士MEAS推出的新一代高分辨率的气压传感器,广泛应用于移动高度计/气压计系统、自行车电脑、智能手表、GPS、智能手机、无人机高度测量系统等.MS5611体积小,内部集成了气压传感器、温度传感器、24位ADC、128位PROM、数字滤波器、SPI和I2C接口.针对MS5611的SPI接口,选用输入输出资源丰富,配置灵活的FPGA作为微控制器,并设计相应的SPI接口电路;采用Verilog编写具有MS5611五种指令的SPI接口模块,并进行了时序仿真验证.仿真结果表明,基于FPGA的SPI接口模块能很好地对MS5611进行控制,并实现数据的读写,在基于MS5611的气压测量设备上有很好应用.
【期刊名称】《科技创新导报》
【年(卷),期】2017(014)001
【总页数】4页(P31-33,35)
【关键词】气压测量;MS5611;SPI;时序仿真
【作者】崔璨;邓圣;代航阳;张杨;杨泰波
【作者单位】中国核动力研究设计院四川成都 610094;中国核动力研究设计院四川成都 610094;中国核动力研究设计院四川成都 610094;中国核动力研究设计院四川成都 610094;中国核动力研究设计院四川成都 610094
【正文语种】中文
【中图分类】TP361.1
气压和温度一直都是很多实验室和工业生产中的重要环境参数，需要对其进行实时检测，以实现对实验室环境和工业生产环境的控制，达到实验预想效果，生产出高品质产品[1]。

例如：在机房设备监测系统中，通过气压传感器对气压进行监测，
当波动较大时，可通过短信通知机房负责人[2]。

而对于登山爱好者来说，非常关心海拔高度，可通过测量气压来计算海拔高度，其测量精度远比全球定位系统(Glo bal Positioningsystem， GPS)高，在原有GPS
基础上增加气压测量功能，可使三维定位更加准确。

另外，在使用导航时，GPS
信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低，甚至不能使用。

尤其在高楼林立的城区和植被茂密的林区，GPS有效率仅为60%，为弥补这一不足常常采用气压传
感器辅助测量海拔高度[3]。

如今被广泛应用的小型无人机，具有成本低廉、体积小、重量轻、机动性强、续航时间长等特点，而其高度测量系统就是通过海拔高度和压力大小关系计算出来[4-5]。

MS5611作为新一代高分辨率的气压传感器，它具有体积小、重量轻等特点，使
其广泛应用于移动高度计/气压计系统、自行车电脑、智能手表、GPS、智能手机、无人机高度测量系统等。

它具有串行外设接口（Serial Peripheral Interface，sPI）和I2C总线两种数字通讯接口，使它更容易与微控制器进行数据交换，该文针对MS5611的SPI接口，采用现场可编辑逻辑阵列（Field－Programmable Gate Array， FPGA）实现对其数据的读写控制，并对设计的SPI接口模块进行了时序
仿真验证。

1.1mS5611介绍
MS5611体积小，仅为5.0mm×3.0mm×1.0mm，内部集成有气压传感器、温度传感器、2 4位模数转换器（Analog-Digital Converter，ADC）、128位可编程只读存储器（Programmable Read Onlymemory，P ROm）、数字滤波器、S
P I和I2C接口。

其分辨率可达0.012mbar，用于高度测量时，精度可达10 cm。

MS5611同时可以测量温度并对压力进行温度补偿。

其主要技术指标见表1。

1.2 微控制器
MS5611集成有SPI和I2C数字接口，可使用FPGA、单片机等为微控制器，实
现对MS5611的控制。

选用本身具有SPI 或I2C接口的微控制器可缩短开发周期，但这些微控制器本身资源固定，所以灵活性较差。

FPGA是ASIC基础上发展起来的，但它又克服了ASIC灵活性差的缺点。

其端口
资源丰富，并且可以根据用户的需要进行配置，在高速数据采集、数字通信、编码译码方面有着广泛应用。

考虑到MS5611本身供电电压范围为-0.3～4.0 V，该文选用Altera公司的FPGA 芯片EP1C6Q240C8作为微控制器，其逻辑电平为3.3 V，可与MS5611匹配，
在FPGA内部设计针对MS5611的SPI接口模块，实现对其数据读写，同时可以
在FPGA内设计其他数字通讯接口，如RS485等[6]，实现数据远程传输。

FPGA必要外围电路包括：下载电路、外部时钟、电源。

如图1所示，存储芯片EPCS1作为FPGA的程序存储，上电后自动加载程序。

外部时钟采用40mHz的
有源晶振，其供电压为3.3 V。

整个系统需要的电压为1.5 V和3.3 V，其中1.5 V 由1117～1.5 V产生，3.3 V由1117～3.3 V产生。

1.3sPI接口电路
该文选用MS5611的SPI接口进行数据通讯。

SPI是一种高速的，全双工，同步
的通信总线，只占用四根线。

它采用主从方式工作，由一个主设备和多个从设备构成，FPGA作为主设备，MS5611作为从设备，接口电路如图2所示。

供电电压
选择与FPGA一致的3.3 V，其中SCLK为时钟信号，PS为通讯模式选择信号，
拉高选择I2C模式，拉低选择SPI模式；CSB为片选信号，对从设备进行选择，
低有效；SDO为串行数据输出总线，SDI为串行数据输入总线。

2.1 控制指令
MS5611具有5种基本的控制指令：复位、读取PROM数据、D1转换、D2转换、读取ADC结果。

复位：复位指令应在芯片上电时发送以确保PROM中的数据能够顺利的加载，同时可在未知状态下复位芯片的只读存储器(Read Onlymemory ，ROM)。

读取PROM数据：PROM是一个128位的存储器，存储了6个出厂时的标定参
数C1～C6，6个参数用于压力补偿和温度补偿，此指令在复位完成后发出，之后返回16位数据。

D1、D2转换：此指令用于启动转换未补偿压力（D1）和未补偿温度（D2）。

ADC读取：在D1转换或D2转换后发出，分别返回24位的压力或温度数据。

以上每种指令均是8位，指令值如表2所示。

2.2sPI接口模块
SPI总线中所有数据均是通过串行时钟SCLK进行同步，每个时钟脉冲传送1位数据[7]。

时钟的相位（CPHA）和极性（CPOL）的不同组合可以让SPI总线工作在
4种不同的模式下。

模式0：CPHA=0，SCL K空闲状态时为低电平；CPOL=0，在CSB有效后SCLK 的第一个周期进行采样。

模式1：CPHA=0，SCL K空闲状态时为低电平；CPOL=1，在CSB有效后SCLK 的第二个周期进行采样。

模式2：CPHA=1，SCL K空闲状态时为高电平；CPOL=0，在CSB有效后SCLK 的第一个周期进行采样。

模式3：CPHA=1，SCL K空闲状态时为高电平；CPOL=1，在CSB有效后SCLK 的第二个周期进行采样。

SPI可工作在主模式或从模式下。

在主模式，每一位数据的发送/接收需要一个时
钟作用；而在从模式下，每一位数据都是在接收到时钟信号之后才发送/接收[7]。

MS5611作为从机，支持工作在模式0和模式3，该文选择在工作在模式3下。

FPGA作为主机，内部设计的SPI接口模块为模式3的主模式。

FPGA内部设计SPI模块采用Quartus II的verilog编写，如图3所示的流程进行，首先将SPI的所有总线初始化，SCLK、CSB、SDO、SDI均拉高。

根据并行输入
8位数据（表2所示指令）判断10种状态，不同状态下所发出的时钟周期不同，ADC读取和PROM读取指令因为分别要返回24位数据和16位数据，时钟周期
分别为32和24，其他指令均是8个时钟周期，SCLK上的时钟信号由晶振分频后产生。

而片选信号CSB均拉低，指令码数据转换为串行数据后通过SDI输入到
MS5611，返回的串行数据通过SDO输入到FPGA再转化为并行数据后存储。

对于设计完成的SPI接口模块需进行时序仿真，以验证其控制时序是否能满足
MS5611的SPI接口。

MS5611的SPI总线可工作在模式0和模式3，该文设计的SPI接口选择工作在
模式3下。

笔者对MS5611的五种指令均进行了时序仿真，结果与MS5611的技术手册上一致，图4列举出了MS5611的ADC读取功能进行的时序仿真结果。

其中，datain[7：0]为指令码并行数据，ADC读取指令码0x00并行输入；spido 为FPGA的串行数据输出，即SDI，仿真图4中输出指令码的0x00的串行数据；spidi为FPGA的串行数据输入，即SDO信号，从时钟信号SCLK的第9个上升
沿开始到32个上升沿为24位ADC转换数据结果，第9个时钟上升沿为数据最
高位。

dataout[23：0]为ADC读取数据并行输出结果，结果为0x7fffff。

spics
为CSB片选信号，指令发出和读取过程中拉低。

spiclk为SCLK时钟信号，ADC
读取共产生32个时钟周期，上升沿进行数据读取。

该文在F PGA内设计适用于MS5611的SPI接口，对MS5611的五种指令进行
了时序仿真，具体列举ADC读取功能进行了介绍，仿真结果表明文中设计的基于
FPGA的SPI接口能很好地对MS5611进行控制，并实现数据的读写，在基于
MS5611的气压测量设备上能有很好应用。

【相关文献】
[1] 赖贵川，黄华伟.基于MS5611-01BA01的高精度气压和温度检测系统设计[J].四川理工学院学报，2012，25(5)：33-36.
[2] 陈新兴，尤宇星.机房设备监测系统设计[J].福建电脑，2015(11)：123-132.
[3] 朱韶红，王玉泉.危险品物流监控系统中车载终端的研究与设计[J].物流技术，2013，32(12)：429-432.
[4] 潘银松，刘天刚，马泽忠，等.基于MS5611的小型无人机高度检测系统设计[J].电子测量技术，2015，38(7)：22-25.
[5] 杨新湦，高春燕.一种气压测量系统设计[J].电子产品世界，2014(10)：32-34.
[6] 梁士龙，王力男，杨嘉伟.用FPGA实现RS-485通信接口芯片[J].系统工程与电子技术，2002，24(4)：103-106.
[7] 杨承富，徐志军.SPI总线接口的FPGA设计与实现[J].军事通信技术，2004，25(2)：72-76.。