ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

我們經(jīng)常會(huì)碰到多通道AD采集的需求，有時(shí)候甚至需要高精度的ADC器件。本篇我們將來(lái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)。并簡(jiǎn)單討論該驅(qū)動(dòng)使用方式。

1、功能概述

??ADS1256是TI公司推出的一款低噪聲高分辨率的24位Sigma-Delta(E-v)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。E-vADC與傳統(tǒng)的逐次逼近型和積分型ADC相比有轉(zhuǎn)換誤差小而價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但由于受帶寬和有效采樣率的限制，E-vADC不適用于高頻數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。該款A(yù)DS1256可適合于采集最高頻率只有幾千赫茲的模擬數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)輸出速率最高可為30K采樣點(diǎn)/秒，4路差分或8路偽差分輸入，有完善的自校正和系統(tǒng)校正系統(tǒng)，SPI串行數(shù)據(jù)傳輸接口。其結(jié)構(gòu)圖如下所示：

??從結(jié)構(gòu)圖可以看出來(lái)，ADS1256是模擬區(qū)域與數(shù)字區(qū)域完全獨(dú)立的ADC，即AVDD給模擬區(qū)域供電，DVDD給數(shù)字區(qū)域供電，在原理圖設(shè)計(jì)方面按照官方指導(dǎo)文檔，需要對(duì)兩個(gè)區(qū)域做獨(dú)立的布線與隔離處理，才能讓信噪比最佳。

??ADS1256采用SSOP的封裝形式，具有8個(gè)模擬輸入通道，共28個(gè)引腳，與其類似的2通道產(chǎn)品ADS1255共有20引腳，其實(shí)兩者操作相同，所以我們?cè)O(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)也會(huì)考慮兼容性。其中ADS1256引腳排布和定義如下圖所示：

??ADS1255和ADS1256的操作是通過(guò)一組寄存器來(lái)控制的。這些寄存器包含了配置部件所需的所有信息，如數(shù)據(jù)速率、多路復(fù)用器設(shè)置、PGA設(shè)置、校準(zhǔn)等。這些寄存器的地址及結(jié)構(gòu)如下表所述：

??我們知道了這些寄存器的定義，那么就可以操作ADS1256了?？墒俏覀?cè)趺磥?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些寄存器的訪問(wèn)呢？這就涉及到操作命令的問(wèn)題了。ADS1256有多個(gè)操作命令，具體如下表所示：

??在以上這些命令中，除了讀寫(xiě)寄存器操作需要有第二個(gè)字節(jié)命令和數(shù)據(jù)外，其它命令都是獨(dú)立使用的。

2、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

??我們已經(jīng)了解了ADS1256的相關(guān)結(jié)構(gòu)、寄存器及操作命令。接下來(lái)我們就來(lái)考慮如何設(shè)計(jì)ADS1256的驅(qū)動(dòng)程序。

2.1、對(duì)象定義

??與以往一樣，我們依然是基于對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)ADS1256的驅(qū)動(dòng)程序，所以我們需要抽象出ADS1256的對(duì)象類型。

2.1.1、抽象數(shù)據(jù)類型

??我們先來(lái)考慮一下ADS1256對(duì)象類型的定義問(wèn)題。一個(gè)對(duì)象一般來(lái)說(shuō)主要包括屬性和操作兩個(gè)方面的內(nèi)容，我們也從這兩個(gè)方面來(lái)分析ADS1256對(duì)象。

??首先我們來(lái)考慮ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的屬性。這些屬性必須能夠標(biāo)識(shí)ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的特征，或者是存儲(chǔ)ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的某種狀態(tài)。對(duì)于ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象我們希望可以記錄寄存器的狀態(tài)，所以我們將各個(gè)寄存器定義為該對(duì)象的屬性。

??接下來(lái)我們?cè)賮?lái)考慮一下ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的操作。一個(gè)對(duì)象有各種各樣的操作，或者說(shuō)他能實(shí)現(xiàn)很多的操作，但不是所有的操作都是我們要提取的。我們需要考慮的是那些對(duì)象所獨(dú)有并且同類對(duì)象都必不可少的操作，以及那些不能由對(duì)象獨(dú)自完成，依賴于具體平臺(tái)但又決定對(duì)象的行為的必要操作。對(duì)于ADS1256莫數(shù)轉(zhuǎn)換器，我們需要讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，操作片選信號(hào)，讀取就緒信號(hào)等。但這些操作都依賴于具體的軟硬件平臺(tái)，我們將這些操作定義對(duì)象的操作，通過(guò)函數(shù)指針的方式將具體的操作函數(shù)傳遞給對(duì)象變量，以便于適用于不同的軟硬件平臺(tái)。此外，由于時(shí)序控制的需要我們需要在驅(qū)動(dòng)中使用延時(shí)操作，而延時(shí)操作的實(shí)現(xiàn)依賴于具體的軟硬件平臺(tái)，所以我們也將其抽象為對(duì)象的操作。根據(jù)上述我們的分析，可以定義ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的類型如下：

/*定義ADS1256對(duì)象類型*/
typedef struct ADS1256Object {
  uint8_t Register[11];
  void (*ReadWrite)(uint8_t *wData,uint8_t *rData,uint16_t size);       //實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)操作
  void (*ChipSelect)(ADS1256CSType cs);  //實(shí)現(xiàn)片選
  uint16_t (*GetReadyInput)(void);      //實(shí)現(xiàn)Ready狀態(tài)監(jiān)視
  void (*Delay)(volatile uint32_t nTime);       //實(shí)現(xiàn)ms延時(shí)操作
}ADS1256ObjectType;

2.1.2、對(duì)象初始化函數(shù)

??我們抽象了ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)象類型，使用這一對(duì)象類型我們可以獲得具體的對(duì)象變量，但這一對(duì)象變量必須要進(jìn)行必要的屬性和操作設(shè)定才能進(jìn)行正確的操作。為了完成對(duì)象變量屬性和操作的配置，我們需要一個(gè)對(duì)象初始化函數(shù)。

/*ADS1256初始化配置函數(shù)*/
void ADS1256Initialization(ADS1256ObjectType *ads,              //待初始化的ADS1256對(duì)象
                           ADS1256OrderType order,              //數(shù)據(jù)順序
                           ADS1256ACALType acal,                //自動(dòng)校準(zhǔn)使能
                           ADS1256BufenType bufEn,              //模擬量緩存使能
                           ADS1256ClkoutType clkOut,            //時(shí)鐘輸出類型
                           ADS1256SDCSType sdcs,                //傳感器檢測(cè)電流
                           ADS1256GainType gain,                //增益
                           ADS1256DRateType dataRate,           //數(shù)據(jù)輸出速率
                           ADS1256DIOType *dio,                 //輸入輸出配置
                           ADS1256ReadWriteType readWrite,      //讀寫(xiě)函數(shù)指針
                           ADS1256ChipSelectType cs,            //片選函數(shù)指針
                           ADS1256GetReadyInputType ready,      //就緒函數(shù)指針
                           ADS1256DelaymsType delayms           //毫秒延時(shí)函數(shù)指針
                             )
{
  uint8_t Order[]={STATUS_ORDER_MOST,STATUS_ORDER_LEAST};
  uint8_t ACAL[]={STATUS_ACAL_DISABLE,STATUS_ACAL_ENABLE};
  uint8_t BUFEN[]={STATUS_BUFEN_DISABLE,STATUS_BUFEN_ENABLE};

  uint8_t clkck[]={ADCON_CLOCK_OFF,ADCON_CLOCK_FCLKIN,ADCON_CLOCK_HALF,ADCON_CLOCK_QUARTER};
  uint8_t sDCS[]={ADCON_SDCS_OFF,ADCON_SDCS_05uS,ADCON_SDCS_2uS,ADCON_SDCS_10uS};
  uint8_t gains[]={ADCON_PGA_GAIN1,ADCON_PGA_GAIN2,ADCON_PGA_GAIN4,ADCON_PGA_GAIN8,
  ADCON_PGA_GAIN16,ADCON_PGA_GAIN32,ADCON_PGA_GAIN64};

  uint8_t dRate[]={DRATE_30000SPS,DRATE_15000SPS,DRATE_7500SPS,DRATE_3750SPS,
  DRATE_2000SPS,DRATE_1000SPS,DRATE_500SPS,DRATE_100SPS,
  DRATE_60SPS,DRATE_50SPS,DRATE_30SPS,DRATE_25SPS,
  DRATE_15SPS,DRATE_10SPS,DRATE_5SPS,DRATE_2_5SPS};

  uint8_t dir[4][2]={{GPIO_DIR0_OUTPUT,GPIO_DIR0_INPUT},
  {GPIO_DIR1_OUTPUT,GPIO_DIR1_INPUT},
  {GPIO_DIR2_OUTPUT,GPIO_DIR2_INPUT},
  {GPIO_DIR3_OUTPUT,GPIO_DIR3_INPUT}};

  if((ads==NULL)||(readWrite==NULL)||(ready==NULL)||(delayms==NULL))
  {
    return;
  }
  ads->ReadWrite=readWrite;
  ads->GetReadyInput=ready;
  ads->Delay=delayms;
  if(cs==NULL)
  {
    ads->ChipSelect=ADS1256ChipSelect;
  }
  else
  {
    ads->ChipSelect=cs;
  }

  for(int i=0; i<11;i++)
  {
    ads->Register[i]=0x00;
  }

  ads->Register[REG_STATUS]=Order[order]||ACAL[acal]||BUFEN[bufEn];
  ads->Register[REG_MUX]=0x00;
  ads->Register[REG_ADCON]=clkck[clkOut]||sDCS[sdcs]||gains[gain];
  ads->Register[REG_DRATE]=dRate[dataRate];
  ads->Register[REG_IO]=dir[0][dio[0]]||dir[1][dio[1]]||dir[2][dio[2]]||dir[3][dio[3]];

  WriteADS1256Register(ads,REG_STATUS,1);
  WriteADS1256Register(ads,REG_MUX,1);
  WriteADS1256Register(ads,REG_ADCON,1);
  WriteADS1256Register(ads,REG_DRATE,1);
  WriteADS1256Register(ads,REG_IO,1);

  ADS1256Calibration(ads,SELFCAL);

  ReadADS1256Register(ads,REG_STATUS,11);
}

??在這個(gè)初始化函數(shù)中，我們完成兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是對(duì)屬性的賦值和對(duì)操作函數(shù)指針進(jìn)行初始化；二是對(duì)對(duì)象變量所代表的對(duì)象進(jìn)行初始化配置。

2.2、對(duì)象操作

??我們獲得了ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)象類型，也編寫(xiě)了初始化對(duì)象變量的函數(shù)，接下來(lái)我們考慮一下ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一些主要的操作過(guò)程。

2.2.1、讀數(shù)據(jù)

??作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，我們首要的目的就是從其獲得我們想要的數(shù)據(jù)。ADS1256讀數(shù)據(jù)分為連續(xù)讀取和非連續(xù)讀取，在這里我們考慮單次讀取數(shù)據(jù)的操作。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，就緒信號(hào)下拉到“0”，這個(gè)時(shí)候可以讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取后就緒信號(hào)將上拉到“1”。

??根據(jù)上述描述和時(shí)序圖我們可以編寫(xiě)讀取數(shù)據(jù)的操作如下：

/*ADS1256讀取數(shù)據(jù)*/
static uint32_t ADS1256ReadData(ADS1256ObjectType *ads)
{
  uint8_t cmd[1]={RDATA};
  uint8_t rData[3];
  uint32_t result=0;

  while(ads->GetReadyInput()==1);

  ads->ChipSelect(ADS1256CS_Enable);

  ads->ReadWrite(cmd,rData,3);

  ads->ChipSelect(ADS1256CS_Disable);

  result=rData[0];
  result=(result<<8)+rData[1];
  result=(result<<8)+rData[2];

  return result;
}

2.2.2、讀寄存器

??我們已經(jīng)了解ADS1256有11個(gè)寄存器，這些寄存器都可讀取。讀取寄存器的命令由2個(gè)字節(jié)組成。第一個(gè)字節(jié)是讀寄存器命令0x10與寄存器起始地址合并而成。第二個(gè)字節(jié)是所要讀取的寄存器數(shù)量減1。具體的操作時(shí)序如下圖所示：

??根據(jù)上述對(duì)讀寄存器的描述和時(shí)序圖我們可以編寫(xiě)讀寄存器的操作如下：

/*讀ADS1256寄存器*/
static void ReadADS1256Register(ADS1256ObjectType *ads,uint8_t regAddr,uint8_t regNum)
{
  uint8_t cmd[2];
  uint8_t rData[11];

  cmd[0]=RREG|regAddr;
  cmd[1]=regNum-1;

  ads->ChipSelect(ADS1256CS_Enable);

  ads->ReadWrite(cmd,rData,2);

  cmd[0]=0;
  cmd[1]=0;
  ads->ReadWrite(cmd,rData,regNum);

  ads->ChipSelect(ADS1256CS_Disable);

  for(int i=0;iRegister[regAddr+i]=rData[i];
  }
}

2.2.3、寫(xiě)寄存器

??在ADS1256的11個(gè)寄存器中有一些寄存器用于配置ADS1256的工作特性，可以寫(xiě)這些寄存器。寫(xiě)寄存器的命令也是由2個(gè)自己組成。第一個(gè)字節(jié)是讀寄存器命令0x50與寄存器起始地址合并而成。第二個(gè)字節(jié)是所要寫(xiě)的寄存器數(shù)量減1。具體的操作時(shí)序如下圖所示：

??根據(jù)上述對(duì)寫(xiě)寄存器的描述和時(shí)序圖我們可以編寫(xiě)寫(xiě)寄存器的操作如下：

/*寫(xiě)ADS1256寄存器*/
static void WriteADS1256Register(ADS1256ObjectType *ads,uint8_t regAddr,uint8_t regNum)
{
  uint8_t wData[7];
  uint16_t index=0;
  uint8_t rData[2];

  wData[index++]=WREG|regAddr;
  wData[index++]=regNum-1;

  for(int i=0;iRegister[regAddr+i];
  }

  ads->ChipSelect(ADS1256CS_Enable);

  ads->ReadWrite(wData,rData,index);

  ads->ChipSelect(ADS1256CS_Disable);
}

3、驅(qū)動(dòng)的使用

??我們已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)程序。在這一節(jié)中我們將設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，通過(guò)這個(gè)例子我們將簡(jiǎn)單的驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)程序的正確性，并簡(jiǎn)要說(shuō)明驅(qū)動(dòng)的使用方法。

3.1、聲明并初始化對(duì)象

??我們?yōu)锳DS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)是基于對(duì)象開(kāi)發(fā)的，所以我們?cè)谑褂抿?qū)動(dòng)之前需要聲明一個(gè)ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象變量。使用我們前面定義的ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象類型聲明這一變量如下：

??ADS1256ObjectType ads1256;

??聲明了這個(gè)對(duì)象變量后，我們還需要使用對(duì)象初始化函數(shù)來(lái)將這個(gè)對(duì)象變量變量進(jìn)行初始化。我們?cè)O(shè)計(jì)的初始換函數(shù)有多個(gè)參數(shù)：

ADS1256ObjectType *ads,              //待初始化的ADS1256對(duì)象
ADS1256OrderType order,              //數(shù)據(jù)順序
ADS1256ACALType acal,                //自動(dòng)校準(zhǔn)使能
ADS1256BufenType bufEn,              //模擬量緩存使能
ADS1256ClkoutType clkOut,            //時(shí)鐘輸出類型
ADS1256SDCSType sdcs,                //傳感器檢測(cè)電流
ADS1256GainType gain,                //增益
ADS1256DRateType dataRate,           //數(shù)據(jù)輸出速率
ADS1256DIOType *dio,                 //輸入輸出配置
ADS1256ReadWriteType readWrite,      //讀寫(xiě)函數(shù)指針
ADS1256ChipSelectType cs,            //片選函數(shù)指針
ADS1256GetReadyInputType ready,      //就緒函數(shù)指針
ADS1256DelaymsType delayms           //毫秒延時(shí)函數(shù)指針

??這些參數(shù)中，ADS1256對(duì)象我們已經(jīng)聲明。數(shù)據(jù)順序、自動(dòng)校準(zhǔn)使能、模擬量緩存使能、時(shí)鐘輸出類型、傳感器檢測(cè)電流、增益、數(shù)據(jù)輸出速率等幾個(gè)參數(shù)均為枚舉量，我們們根據(jù)需要選擇就可，在這里我們均按默認(rèn)值選擇。輸入輸出配置這個(gè)參數(shù)，因有4個(gè)IO需獨(dú)立配置，所以我們定義一個(gè)數(shù)組，并將其傳入。剩下的幾個(gè)函數(shù)指針其原型定義如下：

/*定義讀寫(xiě)操作函數(shù)指針類型*/
typedef void (*ADS1256ReadWriteType)(uint8_t *wData,uint8_t *rData,uint16_t size);
/*實(shí)現(xiàn)片選*/
typedef void (*ADS1256ChipSelectType)(ADS1256CSType cs);
/*實(shí)現(xiàn)Ready狀態(tài)監(jiān)視*/
typedef uint16_t (*ADS1256GetReadyInputType)(void);
/*實(shí)現(xiàn)ms延時(shí)操作*/
typedef void (*ADS1256DelaymsType)(volatile uint32_t nTime);

??我們需要根據(jù)函數(shù)的原型聲明來(lái)結(jié)合具體的軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)這幾個(gè)函數(shù)，并將函數(shù)指針以參數(shù)的形式傳遞給初始函數(shù)。我們是在STM32平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)示例，所以延時(shí)函數(shù)我們直接采用HAL_Delay即可，其他幾個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

/*定義片選信號(hào)函數(shù)*/
void ADS1256CS(ADS1256CSType en)
{
  if(ADS1256CS_Enable==en)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
  }
  else
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
  }
}

/* 定義就緒信號(hào)讀取函數(shù) */
uint16_t ADS1256CheckReady(void)
{
  return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
}

/*定義發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)*/
void ADS1256WriteReadData(uint8_t *wData,uint8_t *rData,uint16_t size)
{
  HAL_SPI_TransmitReceive(&ads1256hspi,wData,rxData,size,1000);
}

??根據(jù)上述這些定義后，我們可以調(diào)用初始化函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1256對(duì)象變量進(jìn)行初始化。具體如下：

ADS1256DIOType dio[4]={ADS1256_DIO_INPUT,ADS1256_DIO_INPUT,ADS1256_DIO_INPUT,ADS1256_DIO_OUTPUT};

  /*ADS1256初始化配置函數(shù)*/
  ADS1256Initialization(&ads1256,               //待初始化的ADS1256對(duì)象
                        ADS1256_ORDER_MOST,     //數(shù)據(jù)順序
                        ADS1256_ACAL_DISABLE,   //自動(dòng)校準(zhǔn)使能
                        ADS1256_BUFEN_DISABLE,  //模擬量緩存使能
                        ADS1256_CLKOUT_FCLKIN,  //時(shí)鐘輸出類型
                        ADS1256_SDCS_OFF,       //傳感器檢測(cè)電流
                        ADS1256_GAIN1,          //增益
                        ADS1256_DRATE_30000SPS, //數(shù)據(jù)輸出速率
                        dio,                    //輸入輸出配置
                        ADS1256WriteReadData,   //讀寫(xiě)函數(shù)指針
                        ADS1256CS,              //片選函數(shù)指針
                        ADS1256CheckReady,      //就緒函數(shù)指針
                        HAL_Delay               //毫秒延時(shí)函數(shù)指針
                          );

3.2、基于對(duì)象進(jìn)行操作

??在完成對(duì)象變量的初始化后，我們就可以通過(guò)操作這個(gè)對(duì)象變量獲取采集的數(shù)據(jù)。這里我們采集8路單端輸入的數(shù)據(jù)。需要注意的是每次讀出來(lái)的數(shù)據(jù)并非我們當(dāng)前設(shè)定的通道的數(shù)據(jù)，而是我們上次設(shè)定的通道的數(shù)據(jù)。據(jù)此我們?cè)O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集函數(shù)如下：

/*獲取通道數(shù)據(jù)*/
void GetADS1256ChannelValue(void)
{
  int32_t dataCode[8];

  for(ADS1256ChannelType ainP=ADS1256_AIN0;ainPif(ainP==ADS1256_AIN0)
    {
      dataCode[7]=ADS1256SingleReadData(&ads1256,ainP,ADS1256_AINCOM);
    }
    else
    {
      dataCode[ainP]=ADS1256SingleReadData(&ads1256,ainP,ADS1256_AINCOM);
    }
  }

}

4、應(yīng)用總結(jié)

??我們?cè)O(shè)計(jì)了ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)程序，并利用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子對(duì)齊進(jìn)行了驗(yàn)證，讀取數(shù)據(jù)沒(méi)有問(wèn)題。

??在使用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需要注意，片選信號(hào)并非必須實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橛行r(shí)候我們可能需要在硬件上直接將其選中，此時(shí)添加片選操作函數(shù)是沒(méi)有什么意義的，我們可以在初始化時(shí)傳入NULL來(lái)完成。

??在使用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需要注意，ADS1256模數(shù)轉(zhuǎn)換器在設(shè)置通道選擇然后就可以在轉(zhuǎn)換過(guò)程中讀取上一個(gè)轉(zhuǎn)換周期的數(shù)據(jù)。所以在驅(qū)動(dòng)程序中，設(shè)置通道選擇后，沒(méi)有等待轉(zhuǎn)化完成，而是直接讀取了數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)際上是上一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，這樣可以充分利用轉(zhuǎn)換周期。所以在使用驅(qū)動(dòng)程序需要注意讀取的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的通道。

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