AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

我們的經(jīng)常需要采集一些精度要求較高的模擬信號(hào)，使用MCU集成的ADC難以達(dá)到要求、所以我們需要獨(dú)立的ADC芯片。這一節(jié)我們就來(lái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)AD7705芯片的驅(qū)動(dòng)、并探討驅(qū)動(dòng)的使用方法。

1 、功能概述

AD7705/AD7706是用于低頻測(cè)量的完整模擬前端?？梢灾苯訌?a target="_blank">傳感器接收低電平輸入信號(hào)，并產(chǎn)生串行數(shù)字輸出。

1.1 、硬件結(jié)構(gòu)

AD7705和AD7706均為完整16位、低成本、Σ-Δ型ADC，適合直流和低頻交流測(cè)量應(yīng)用。其具有低功耗（3 V時(shí)最大值為1 mW）特性，因而可用于環(huán)路供電、電池供電或本地供電的應(yīng)用中。片內(nèi)可編程增益放大器提供從1至128的增益設(shè)置，無(wú)需使用外部信號(hào)調(diào)理硬件便可接受低電平和高電平模擬輸入。

AD7705擁有兩個(gè)差分通道，而AD7706則擁有一個(gè)差分通道和兩個(gè)偽差分通道。在定制比率應(yīng)用器件時(shí)，差分基準(zhǔn)電壓輸入還能提供極大的靈活性。采用16引腳封裝，具體的定義及結(jié)構(gòu)如下：

AD7705/AD7706設(shè)備的工作電壓從2.7 V到3.3 V或4.75 V到5.25 V不等。在VDD為5v和參考電壓為2.5 V的情況下，輸入信號(hào)范圍從0 mV到20 mV，從0 V到2.5 V，都可以在這兩種設(shè)備上使用。在VDD為3v和參考電壓為1.25 V的情況下，可以處理0 mV到10 mV到0 V到1.225 V的單極輸入信號(hào)范圍。

1.2 、片上寄存器

AD7705/AD7706每個(gè)包含8個(gè)片上寄存器，可以通過(guò)串口訪問(wèn)。第一個(gè)是通信寄存器，第二個(gè)是配置寄存器，第三個(gè)是時(shí)鐘寄存器，第四個(gè)是數(shù)據(jù)寄存器，余下的是校準(zhǔn)寄存器。具體如下：

需要說(shuō)明的是測(cè)試寄存器，不要改變此寄存器中的任何位的狀態(tài)，這個(gè)寄存器用于設(shè)備測(cè)試。

1.2.1 、通信寄存器

通信寄存器用于控制通道選擇，并決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫操作，并決定下一個(gè)讀操作或?qū)懖僮髟L問(wèn)哪個(gè)寄存器。通訊寄存器各位含義如下：

所有到AD7705/AD7706的通信都必須從通信寄存器的寫操作開始。寫入該寄存器的數(shù)據(jù)決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫操作，以及該操作發(fā)生在哪個(gè)寄存器。其中RS2–RS0三位決定下一操作是針對(duì)哪一個(gè)寄存器進(jìn)行的。

而CH1， CH0兩位決定是針對(duì)哪一通道的操作。

1.2.2 、配置寄存器

配置寄存器是一個(gè)8位寄存器，可以從中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，用于確定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、雙極/單極操作和緩沖模式。

1.2.3 、時(shí)鐘寄存器

時(shí)鐘寄存器是一個(gè)8位寄存器，可以從中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，，并包含篩選器選擇位和時(shí)鐘控制位。

1.2.4 、數(shù)據(jù)寄存器

數(shù)據(jù)寄存器是一個(gè)16位的只讀寄存器，它包含來(lái)自AD7705/AD7706的最新轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果通信寄存器為該寄存器的寫操作設(shè)置了部件，則必須執(zhí)行寫操作才能將部件返回到其默認(rèn)狀態(tài)。然而，寫入該部分的16位數(shù)據(jù)將被AD7705/AD7706忽略。

1.2.5 、校準(zhǔn)寄存器

校準(zhǔn)寄存器是一系列的寄存器對(duì)，用于存儲(chǔ)通道校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。每對(duì)包括一個(gè)零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器和一個(gè)滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，并對(duì)應(yīng)一個(gè)通道。當(dāng)開啟系統(tǒng)零點(diǎn)或量程校準(zhǔn)時(shí)，將根據(jù)對(duì)應(yīng)通道上的數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)。當(dāng)然如果有必要，也可以通過(guò)數(shù)字接口來(lái)讀寫這些寄存器。

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

我們已經(jīng)了解了AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部寄存器配置，接下來(lái)我們將根據(jù)我們的了解設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)。

2.1 、對(duì)象定義

我們對(duì)AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的操作依然是基于對(duì)象的，所以我們要先得到對(duì)象。首先的工作當(dāng)然是抽象得到對(duì)象的特性進(jìn)而得到我們需要的對(duì)象。

2.1.1 、抽象對(duì)象類型

一個(gè)對(duì)象最起碼包含屬性和操作兩方面內(nèi)容，我們先來(lái)分析一下AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象需要包含哪些屬性和操作。

對(duì)于AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，總共有8個(gè)寄存器，這些寄存器是實(shí)現(xiàn)操作的基礎(chǔ)，我們要配置并了解這些寄存器的狀態(tài)，所以我們將這些寄存器抽象為對(duì)象的屬性，以便隨時(shí)掌握操作的目標(biāo)。

進(jìn)而我們考慮AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的操作。首先我們要操作AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器就是向其發(fā)送命令和讀取數(shù)據(jù)，所以我們將向AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送命令和讀取數(shù)據(jù)作為對(duì)象的一個(gè)操作。AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用SPI通訊接口，有時(shí)需要在軟件中對(duì)片選信號(hào)進(jìn)行操作，所以我們將片選型號(hào)的操作作為對(duì)象的另一個(gè)操作。在一些情況下，有些針對(duì)對(duì)象的活動(dòng)需要延時(shí)進(jìn)行，而在不同的平臺(tái)中采取的延時(shí)方式不盡相同，為了操作方便我們將延時(shí)操作作為對(duì)象的一個(gè)操作。此外AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器有一個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)就緒檢測(cè)的功能，我們將讀取就緒信號(hào)作為它的另一個(gè)操作。

據(jù)以上的分析我們可以抽象AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)象類型如下：

/* 定義AD7705對(duì)象類型 */
typedef struct AD7705Object {
       uint8_t registers[3];                         //用于存儲(chǔ)通訊、配置和時(shí)鐘寄存器
       uint8_t(*ReadWriteByte)(uint8_t data);        //讀寫操作
       uint8_t(*CheckDataIsReady)(void);             //就緒信號(hào)檢測(cè)
       void(*ChipSelect)(AD7705CSType cs);           //實(shí)現(xiàn)片選
       void(*Delayms)(volatile uint32_t nTime);      //實(shí)現(xiàn)ms延時(shí)操作
       void(*Delayus)(volatile uint32_t nTime);      //實(shí)現(xiàn)us延時(shí)操作
}AD7705ObjectType;

2.1.2 、對(duì)象初始化

我們雖然得到了是對(duì)象，但對(duì)象不能直接使用，我們需要對(duì)其進(jìn)行初始化方能使用。所以接下來(lái)我們考慮AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的初始化函數(shù)。

初始化函數(shù)至少包含有2方面內(nèi)容：一是為對(duì)象變量賦必要的初值；二是檢查這些初值是否是有效的。特別是一些操作指針錯(cuò)誤的話可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果?；谶@一原則，我們?cè)O(shè)計(jì)AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)象初始化函數(shù)如下：

/* AD7705對(duì)象初始化函數(shù) */
void AD7705Initialization(AD7705ObjectType*ad，
                          AD7705GainType gain，
                          AD7705MclkType mclk，
                          AD7705OutRateType rate，
                          AD7705ReadWriteByteType spiReadWrite，
                          AD7705CheckDataIsReadyType checkReady，
                          AD7705ChipSelect cs，
                          AD7705Delay msDelay，
                          AD7705Delay usDelay)
{
       if((ad==NULL)||(spiReadWrite==NULL)||(checkReady==NULL)||(msDelay==NULL)||(usDelay==NULL))
       {
              return;
       }
      
       ad->CheckDataIsReady=checkReady;
       ad->ReadWriteByte=spiReadWrite;
       ad->Delayms=msDelay;
       ad->Delayus=usDelay;
      
       if(cs==NULL)     //硬件電路實(shí)現(xiàn)片選
       {
              ad->ChipSelect=DefaultChipSelect;
       }
       else
       {
              ad->ChipSelect=cs;
       }
      
       //設(shè)置成單極性、無(wú)緩沖、增益為1、濾波器工作、自校準(zhǔn)
       ad->registers[REG_SETUP]=SelfCalibration|Unipolar|BufferDisable|FSYNCEnable|gains[gain];
      
       ad->registers[REG_CLOCK]=CLKEnable; //默認(rèn)主時(shí)鐘輸出
      
       if((mclk==Mclk4915200)||(mclk==Mclk2000000))
       {
              ad->registers[REG_CLOCK]|=CLKDIVEnable;
       }
       else
       {
              ad->registers[REG_CLOCK]|=CLKDIVDisable;
       }
      
       if(((mclk<=Mclk4915200)&&(rate<=Rate200Hz))||((mclk>=Mclk1000000)&&(rate>=Rate50Hz)))
       {
              ad->registers[REG_CLOCK]|=updateRate[rate];
       }
       else
       {
              ad->registers[REG_CLOCK]=0x00;
              return;
       }    
}

2.2 、對(duì)象操作

我們獲取對(duì)象的目的就是希望通過(guò)對(duì)象來(lái)得到我們想要的數(shù)據(jù)。對(duì)于AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，我們想要得到的就是各個(gè)通道的輸入信號(hào)。所以我們對(duì)AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的操作就是得到通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換值。據(jù)此我們?cè)O(shè)計(jì)讀取AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器單個(gè)通道的值的函數(shù)如下：

//讀取AD7705單個(gè)通道的值
uint16_t GetAD7705ChannelValue(AD7705ObjectType*ad，AD7705ChannelType channel)
{
       ad->ChipSelect(AD7705CS_Enable);
      
       //初始化通道
       AD7705ChannelConfig(ad，channel);
       ad->Delayms(20);
 
       ad->registers[REG_COMM]=DataRegister|ReadOperation|OperatingMode|channels[channel];
       ad->ReadWriteByte(ad->registers[REG_COMM]);
      
       //等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好
       while(ad->CheckDataIsReady()==1)   
       {
       }
  
       uint16_t dataLowByte;
       uint16_t dataHighByte;
       dataHighByte = ad->ReadWriteByte(0xFF);        //讀數(shù)據(jù)寄存器
       ad->Delayus(200);
       dataLowByte = ad->ReadWriteByte(0xFF);        //讀數(shù)據(jù)寄存器
       ad->Delayus(200);
 
       dataHighByte = dataHighByte << 8;
       uint16_t value;
       value  =  dataHighByte | dataLowByte; 
 
       ad->ChipSelect(AD7705CS_Disable);
      
       return value;
}

其中設(shè)置寄存器和時(shí)鐘寄存器的值，在初始化函數(shù)中已經(jīng)記錄下來(lái)，在配置時(shí)，我們只需要下發(fā)數(shù)據(jù)就好了。

3 、驅(qū)動(dòng)的使用

我們已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)，接下來(lái)我們考慮如何使用這一驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

3.1 、聲明并初始化對(duì)象

應(yīng)用的設(shè)計(jì)一如既往，我們需要使用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象類型聲明一個(gè)對(duì)象變量。形式如下：

AD7705ObjectTypead7705;

聲明了這個(gè)對(duì)象變量并不能用于操作AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器，我們還需要使用初始化函數(shù)對(duì)對(duì)象變量進(jìn)行初始化。初始換函數(shù)所需參數(shù)如下：

AD7705ObjectType*ad，要初始化的AD7705對(duì)象

AD7705GainTypegain，增益系數(shù)

AD7705MclkTypemclk，主時(shí)鐘頻率

AD7705OutRateTyperate，輸出更新速率

AD7705ReadWriteByteTypespiReadWrite，SPI口讀寫操作函數(shù)

AD7705CheckDataIsReadyTypecheckReady，就緒檢測(cè)函數(shù)

AD7705ChipSelectcs，片選操作函數(shù)

AD7705DelaymsDelay，毫秒延時(shí)函數(shù)

AD7705DelayusDelay，微秒延時(shí)函數(shù)

對(duì)于這些參數(shù)，對(duì)象變量我們已經(jīng)定義了。采用的增益倍數(shù)根據(jù)實(shí)際情況選擇，為枚舉。AD7705采用的數(shù)字時(shí)鐘則根據(jù)我們的實(shí)際使用情況輸入，為枚舉。而輸出更新速率根據(jù)需要選擇，為枚舉。主要的是我們需要定義幾個(gè)函數(shù)，并將函數(shù)指針作為參數(shù)。這幾個(gè)函數(shù)的類型如下：

/*定義讀寫AD7705函數(shù)指針類型*/
typedef uint8_t(*AD7705ReadWriteByteType)(uint8_t data);


/*定義就緒檢測(cè)函數(shù)指針類型*/
typedef uint8_t(*AD7705CheckDataIsReadyType)(void);


/*定義片選信號(hào)函數(shù)指針類型*/
typedef void(*AD7705ChipSelect)(AD7705CSType cs);


/*定義延時(shí)操作函數(shù)指針類型*/
typedef void(*AD7705Delay)(volatile uint32_t nTime);

對(duì)于這幾個(gè)函數(shù)我們根據(jù)樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬件平臺(tái)有關(guān)系。片選操作函數(shù)用于多設(shè)備需要軟件操作時(shí)，如采用硬件片選可以傳入NULL即可。具體函數(shù)定義如下：

/*定義片選信號(hào)函數(shù)*/
void AD7705CS(AD7705CSType en)
{
       if(AD7705CS_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) */
uint8_t AD7705CheckReady(void)
{
       returnHAL_GPIO_ReadPin(GPIOC，GPIO_PIN_0);
}
 
/*定義發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)*/
uint8_t AD7705WriteReadData(uint8_twData)
{
       uint8_trxData=0;
 
       HAL_SPI_TransmitReceive(&ad7705hspi，&wData，&rxData，1，1000);
 
       return rxData;
}

對(duì)于延時(shí)函數(shù)我們可以采用各種方法實(shí)現(xiàn)。我們采用的STM32平臺(tái)和HAL庫(kù)則可以直接使用HAL_Delay()函數(shù)。于是我們可以調(diào)用初始化函數(shù)如下：

AD7705Initialization(&ad7705，Gain_1，Mclk2457600，Rate200Hz，AD7705WriteReadData，AD7705CheckReady，AD7705CS，HAL_Delay，Delayus);

3.2 、基于對(duì)象進(jìn)行操作

我們定義了對(duì)象變量并使用初始化函數(shù)給其作了初始化。接著我們就來(lái)考慮操作這一對(duì)象獲取我們想要的數(shù)據(jù)。在驅(qū)動(dòng)中我們已經(jīng)封裝了獲取某一通道模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的函數(shù)，這里我們將調(diào)用這一函數(shù)獲取AD7705兩個(gè)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換值。

/*獲取通道數(shù)據(jù)*/
void GetChannelValue(void)
{
       uint16_tdataCode[2];
      
       dataCode[0]=GetAD7705ChannelValue(&ad7705，Channel1);
      
       dataCode[1]=GetAD7705ChannelValue(&ad7705，Channel2);
}

獲取了ADC的數(shù)據(jù)后就可以根據(jù)每個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的物理量量程范圍計(jì)算得到物理量值。

4 、應(yīng)用總結(jié)

我們實(shí)現(xiàn)了AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)并使用驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的應(yīng)用，得到了AD7705兩個(gè)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，結(jié)果與預(yù)期一致。

在使用驅(qū)動(dòng)時(shí)需注意，采用SPI接口的器件需要考慮片選操作的問(wèn)題。如果片選信號(hào)是通過(guò)硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，我們?cè)诔跏蓟瘯r(shí)給其傳遞NULL值。如果是軟件操作片選則傳遞我們編寫的片選操作函數(shù)。

完整的源代碼可在GitHub下載 ：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver