SPI菊花链连接多个ADC采集信号的时序图是什么样的

Question

SPI菊花链连接多个ADC采集信号的时序图是什么样的，为什么呢？

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一、SPI菊花链连接多个ADC的基本原理

1. SPI简介
   • SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工、同步的通信总线。它由主设备（通常是微控制器，如STM32）和从设备（这里是ADC）组成。SPI使用四条线：时钟线（SCK）、主机输出从机输入线（MOSI）、主机输入从机输出线（MISO）和从机选择线（SS）。
2. 菊花链连接方式
   • 在菊花链连接多个ADC时，多个ADC设备依次连接。数据从主设备（STM32）发送到第一个ADC，第一个ADC处理数据后将剩余数据传递给下一个ADC，依此类推。从设备选择线（SS）用于单独选择每个ADC进行通信。

二、时序图

1. 时钟信号（SCK）
   • SCK由主设备（STM32）产生，为整个SPI通信提供时钟节拍。在每个时钟上升沿或下降沿（取决于SPI的模式设置），数据在MOSI和MISO线上进行传输。
   • 例如，在模式0下，数据在SCK的上升沿采样，在下降沿改变。
2. 主机输出从机输入（MOSI）
   • 当主设备要向多个ADC发送配置或控制命令时，数据首先在MOSI线上发送。对于菊花链连接，主设备发送的数据包含了所有ADC的相关信息。例如，如果有3个ADC，主设备发送的数据长度要足够包含这3个ADC的配置信息。
   • 第一个ADC会接收全部数据，但只处理与自己相关的部分（例如，前几个字节是针对第一个ADC的配置），然后将剩余数据（针对后面ADC的部分）传递下去。
3. 主机输入从机输出（MISO）
   • 在主设备发送完数据后，从设备（ADC）可能会返回一些状态或采集到的数据。在菊花链中，最后一个ADC的数据会沿着MISO线依次向上传递，每个ADC可以将自己的数据附加在前面ADC数据的后面。
   • 例如，如果第一个ADC返回数据A，第二个ADC返回数据B，主设备最终接收到的数据可能是AB（假设是按照从后往前的顺序组合）。
4. 从机选择信号（SS）
   • 在通信开始前，主设备会拉低相应ADC的SS线来选择要通信的ADC。当与第一个ADC通信时，拉低第一个ADC的SS线，其他ADC的SS线保持高电平。当要与第二个ADC通信时，拉低第二个ADC的SS线（此时第一个ADC的SS线可以拉高或者保持低电平，取决于具体的ADC芯片要求）。

以下是一个简单的SPI菊花链连接多个ADC的时序图示例（假设是3个ADC）：

事件	SCK	MOSI	MISO	SS1 (ADC1)	SS2 (ADC2)	SS3 (ADC3)
开始与ADC1通信	稳定的时钟周期开始	发送包含3个ADC配置信息的数据	高阻态（开始）	拉低	高电平	高电平
ADC1处理数据	SCK正常时钟周期	数据传输	ADC1可能返回部分数据（如果有）	低电平	高电平	高电平
数据传递给ADC2	SCK正常时钟周期	剩余数据传递	高阻态（ADC1不再输出）	低电平（或根据ADC要求操作）	拉低	高电平
ADC2处理数据	SCK正常时钟周期	数据传输	ADC2可能返回部分数据（如果有）	低电平（或根据ADC要求操作）	低电平	高电平
数据传递给ADC3	SCK正常时钟周期	剩余数据传递	高阻态（ADC2不再输出）	低电平（或根据ADC要求操作）	低电平（或根据ADC要求操作）	拉低
ADC3处理数据	SCK正常时钟周期	数据传输	ADC3返回数据	低电平（或根据ADC要求操作）	低电平（或根据ADC要求操作）	低电平
主设备接收数据	SCK正常时钟周期	无（主设备接收）	从ADC3开始返回的数据依次向上传递到主设备	根据ADC要求操作	根据ADC要求操作	根据ADC要求操作
通信结束	SCK停止	无	无	根据ADC要求操作	根据ADC要求操作	根据ADC要求操作

三、原因分析

1. 数据流向与处理顺序
   • 这种时序安排是为了确保数据能够正确地在多个ADC之间传递和处理。每个ADC都有自己的地址或者配置信息在发送的数据中，通过这种菊花链的方式，可以减少主设备与每个ADC单独通信的时间开销。
   • 例如，如果要对10个ADC进行配置和数据采集，单独通信需要10次通信过程，而菊花链方式可以在较少的通信周期内完成。
2. 避免数据冲突
   • 通过合理控制SS线和数据在MOSI、MISO线上的传输顺序，可以避免多个ADC同时响应或者数据相互干扰。例如，如果不按照顺序拉低SS线，可能会导致多个ADC同时尝试接收数据或者发送数据，造成数据混乱。