我們的經(jīng)常需要采集一些精度要求較高的模擬信號，使用MCU集成的ADC難以達到要求、所以我們需要獨立的ADC芯片。這一節(jié)我們就來設計并實現(xiàn)AD7705芯片的驅(qū)動、并探討驅(qū)動的使用方法。

1 、功能概述

AD7705/AD7706是用于低頻測量的完整模擬前端。可以直接從傳感器接收低電平輸入信號，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量應用。其具有低功耗（3 V時最大值為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用中。片內(nèi)可編程增益放大器提供從1至128的增益設置，無需使用外部信號調(diào)理硬件便可接受低電平和高電平模擬輸入。

AD7705擁有兩個差分通道，而AD7706則擁有一個差分通道和兩個偽差分通道。在定制比率應用器件時，差分基準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，輸入信號范圍從0 mV到20 mV，從0 V到2.5 V，都可以在這兩種設備上使用。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的單極輸入信號范圍。

1.2 、片上寄存器

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

需要說明的是測試寄存器，不要改變此寄存器中的任何位的狀態(tài)，這個寄存器用于設備測試。

1.2.1 、通信寄存器

通信寄存器用于控制通道選擇，并決定下一個操作是讀操作還是寫操作，并決定下一個讀操作或?qū)懖僮髟L問哪個寄存器。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)決定下一個操作是讀操作還是寫操作，以及該操作發(fā)生在哪個寄存器。其中RS2–RS0三位決定下一操作是針對哪一個寄存器進行的。

而CH1， CH0兩位決定是針對哪一通道的操作。

1.2.2 、配置寄存器

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

1.2.3 、時鐘寄存器

時鐘寄存器是一個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鐘控制位。

1.2.4 、數(shù)據(jù)寄存器

數(shù)據(jù)寄存器是一個16位的只讀寄存器，它包含來自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置了部件，則必須執(zhí)行寫操作才能將部件返回到其默認狀態(tài)。然而，寫入該部分的16位數(shù)據(jù)將被AD7705/AD7706忽略。

1.2.5 、校準寄存器

校準寄存器是一系列的寄存器對，用于存儲通道校準數(shù)據(jù)。每對包括一個零標度校準寄存器和一個滿標度校準寄存器，并對應一個通道。當開啟系統(tǒng)零點或量程校準時，將根據(jù)對應通道上的數(shù)據(jù)來校準。當然如果有必要，也可以通過數(shù)字接口來讀寫這些寄存器。

2 、驅(qū)動設計與實現(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，接下來我們將根據(jù)我們的了解設計并實現(xiàn)AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動。

2.1 、對象定義

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

2.1.1 、抽象對象類型

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

對于AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說，總共有8個寄存器，這些寄存器是實現(xiàn)操作的基礎，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象的屬性，以便隨時掌握操作的目標。

進而我們考慮AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對象的操作。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)作為對象的一個操作。AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用SPI通訊接口，有時需要在軟件中對片選信號進行操作，所以我們將片選型號的操作作為對象的另一個操作。在一些情況下，有些針對對象的活動需要延時進行，而在不同的平臺中采取的延時方式不盡相同，為了操作方便我們將延時操作作為對象的一個操作。此外AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器有一個轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)就緒檢測的功能，我們將讀取就緒信號作為它的另一個操作。

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

/* 定義AD7705對象類型 */
typedef struct AD7705Object {
       uint8_t registers[3];                         //用于存儲通訊、配置和時鐘寄存器
       uint8_t(*ReadWriteByte)(uint8_t data);        //讀寫操作
       uint8_t(*CheckDataIsReady)(void);             //就緒信號檢測
       void(*ChipSelect)(AD7705CSType cs);           //實現(xiàn)片選
       void(*Delayms)(volatile uint32_t nTime);      //實現(xiàn)ms延時操作
       void(*Delayus)(volatile uint32_t nTime);      //實現(xiàn)us延時操作
}AD7705ObjectType;

2.1.2 、對象初始化

我們雖然得到了是對象，但對象不能直接使用，我們需要對其進行初始化方能使用。所以接下來我們考慮AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對象的初始化函數(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誤的話可能產(chǎn)生嚴重的后果。基于這一原則，我們設計AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對象初始化函數(shù)如下：

/* AD7705對象初始化函數(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)     //硬件電路實現(xiàn)片選
       {
              ad->ChipSelect=DefaultChipSelect;
       }
       else
       {
              ad->ChipSelect=cs;
       }
      
       //設置成單極性、無緩沖、增益為1、濾波器工作、自校準
       ad->registers[REG_SETUP]=SelfCalibration|Unipolar|BufferDisable|FSYNCEnable|gains[gain];
      
       ad->registers[REG_CLOCK]=CLKEnable; //默認主時鐘輸出
      
       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 、對象操作

我們獲取對象的目的就是希望通過對象來得到我們想要的數(shù)據(jù)。對于AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說，我們想要得到的就是各個通道的輸入信號。所以我們對AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對象的操作就是得到通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換值。據(jù)此我們設計讀取AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器單個通道的值的函數(shù)如下：

//讀取AD7705單個通道的值
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;
}

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

3 、驅(qū)動的使用

我們已經(jīng)設計并實現(xiàn)了AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動，接下來我們考慮如何使用這一驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應用。

3.1 、聲明并初始化對象

應用的設計一如既往，我們需要使用AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器對象類型聲明一個對象變量。形式如下：

AD7705ObjectTypead7705;

聲明了這個對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)對對象變量進行初始化。初始換函數(shù)所需參數(shù)如下：

AD7705ObjectType*ad，要初始化的AD7705對象

AD7705GainTypegain，增益系數(shù)

AD7705MclkTypemclk，主時鐘頻率

AD7705OutRateTyperate，輸出更新速率

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

AD7705CheckDataIsReadyTypecheckReady，就緒檢測函數(shù)

AD7705ChipSelectcs，片選操作函數(shù)

AD7705DelaymsDelay，毫秒延時函數(shù)

AD7705DelayusDelay，微秒延時函數(shù)

對于這些參數(shù)，對象變量我們已經(jīng)定義了。采用的增益倍數(shù)根據(jù)實際情況選擇，為枚舉。AD7705采用的數(shù)字時鐘則根據(jù)我們的實際使用情況輸入，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函數(shù)，并將函數(shù)指針作為參數(shù)。這幾個函數(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);


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


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


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

對于這幾個函數(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有關系。片選操作函數(shù)用于多設備需要軟件操作時，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;
}

對于延時函數(shù)我們可以采用各種方法實現(xiàn)。我們采用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用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 、基于對象進行操作

我們定義了對象變量并使用初始化函數(shù)給其作了初始化。接著我們就來考慮操作這一對象獲取我們想要的數(shù)據(jù)。在驅(qū)動中我們已經(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)每個通道所對應的物理量量程范圍計算得到物理量值。

4 、應用總結(jié)

我們實現(xiàn)了AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動并使用驅(qū)動實現(xiàn)了簡單的應用，得到了AD7705兩個通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，結(jié)果與預期一致。

在使用驅(qū)動時需注意，采用SPI接口的器件需要考慮片選操作的問題。如果片選信號是通過硬件電路來實現(xiàn)的，我們在初始化時給其傳遞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