有些时候我们需要对高精度的ADC来处理一些要求较高的模拟量采集。在处理温控器的过程中我们就使用到了LTC2400这款ADC。接下来我们就来设计并实现LTC2400的驱动。

1、功能概述

  LTC2400是一个供电电压2.7V到5.5V的微功率24位转换器,集成了振荡器、4ppm INL和0.3ppm RMS噪声。所需外接基准电压源的电压范围为0.1V~VCC;模拟信号输入VIN的输入电压范围为-0.125VREF~1.125VREF。

1.1、硬件结构

  LTC2400模数转换器采用与SPI接口兼容的3线数字接口,可应用于高分辨率和低频应用场合,如称重、温度测量、气体分析、应变仪,数据采集,工业控制等方面。它采用8脚SO-8封装,其引脚排列如图所示。

 外设驱动库开发笔记7:LTC2400系列ADC驱动_ADC

  LTC2400内部已集成了高精度的振荡器,因此采用片内振荡器时不需要外接任何元件。通过一个引脚,LTC2400可以配置为在50Hz或60Hz±2%时优于110dB的抑制,也可以由外部振荡器驱动,用户定义的抑制频率在1Hz到120Hz之间。当芯片的F0脚接VCC时,使用内部振荡器可对输入信号中的50Hz干扰进行大于110dB的抑制,其AD转换时间为160ms;F0脚接GND时,使用内部振荡器可对输入信号中的60Hz干扰进行大于110dB的抑制,AD转换时间为133ms;当F0脚接外部振荡器fEOSC时,其抑制的频率为fEOSC/2560,AD转换时间为2048/fEOSC

  LTC2400转换器接受任何外部参考电压从0.1V到VCC。LTC2400以其扩展的输入转换范围-12.5% VREF到112.5% VREF,平稳地解决了先前传感器或信号调理电路的偏移和超量程问题。

1.2、通讯接口

  通过对CS和SCK的控制,LTC2400可以提供几种灵活的接口模式(内部或外部的SCK模式)。不同转换模式的选择无需对LTC2400的寄存器进行设置,并且不影响数据转换周期。使用时钟信号SCK(PIN7)控制转换数据的输出时,转换结果将在时钟CLK的下降沿由SDO脚输出。在内部时钟模式,SCK信号由LTC2400产生输出在外部SCK模式,SCK为LTC2400外部输入的时钟信号。下面详细介绍外部串行时钟的三线接口方法。

  当LTC2400上电时,如果SCK为低电平,转换进入外部串行模式;在CS信号的下降沿,SCK信号必须为低电平。

  当CS为高电平时,SDO为高阻态,此时,SDO连接的接口线可以作为其它应用。如果LTC2400在转换和睡眠时CS为低电平,那么,SDO的输出状态将用于指示EOC。在AD转换阶段,SDO的输出状态EOC将变为高电平,而一旦转换完成,EOC又变为低电平。在LTC2400处于睡眠状态时,如果CS为低电平,系统会在SCK的上升沿将其唤醒。LTC2400的外部串行时钟接口时序图如下:

 外设驱动库开发笔记7:LTC2400系列ADC驱动_LTC2400_02

  CS信号除用来检测LTC2400的状态和输出AD转换数据外,还可用来控制全部串行数据输出之前进行的新一次AD转换。在LTC2400处于数据输出状态时,CS由低变高以停止串行输出,同时开始新的AD转换。

  由于在CS为高电平时,数据输出端SDO为高阻态,因此,在LTC2400的转换过程中,可通过将CS变为低电平来检测转换状态。当CS为低电平时,SDO脚输出的EOC信号为1,表示转换正在进行;EOC为0表示转换完成,系统处于睡眠状态。当LTC2400处于睡眠状态时,其转换结果将保存在内部移位寄存器中。CS为低可在SCK的上升沿唤醒LTC2400,此时转换数据将在SCK的下降沿串行输出。EOC通常在SCK的第一个上升沿被锁存,直到第32个上升沿锁存结束,同时,系统将在第32个下降沿开始的新一轮转换。

  一般情况下,在数据输出过程中,如果CS为低电平,那么,系统将在SCK的第一个上升沿和第32个下降沿中间将CS变高以停止数据输出。

1.3、工作过程

  LTC2400是一种低功耗、采用Δ-Σ技术且具有3线串行接口的AD转换器,而且在AD转换完成后将直接进入睡眠状态。LTC2400的三线接口线分别是数据输出(SDO)、时钟(SCK)和片选(CS)。其工作流程如图所示:

 外设驱动库开发笔记7:LTC2400系列ADC驱动_数据_03

  LTC2400完成转换就进入睡眠状态。睡眠状态的供电电流仅为20μA。若CS一直为高电平,芯片将保持睡眠状态。进入睡眠状态时,数据最后的转换结果将保存在芯片内部的静态移位寄存器中。

  当CS变为低电平时,LTC2400开始输出转换结果,此时数据转换没有等待时间,输出数据即为刚进行的转换结果。该转换结果是在串行时钟SCK的控制下由SDO输出的,并在SCK的下降沿更新,而在SCK的上升沿可靠读取。当32位数据从LTC2400读出或当CS被拉高时,数据输出结束。此后LTC2400将自动开始新的数据转换和重复周期。

2、驱动设计与实现

  我们已经了解了LTC2400模数转换器的基本情况,接下来我们将设计并实现LTC2400模数转换器的驱动程序。

2.1、对象定义

  首先我们需要抽象出LTC2400模数转换器的对象类型。作为一个对象最起码包括量方面的内容:属性和操作。关于LTC2400模数转换器的属性我们简单分析一下。LTC2400模数转换器是一个主动发送数据的器件,并没有需要配置的地方,仅有一个时钟通过外部引脚设置,所以为了应用更清楚我们将其时钟引脚的配置作为其属性记录下来。另一个其返回的数据带有状态标识,我们将其作为另一个属性以记录当前的状态。

  至于操作也很简单,首先我们要从LTC2400接收数据,而这个与具体的平台联系紧密,所以我们将从LTC2400接收数据作为对象的一个操作。LTC2400模数转换器采用SPI通讯接口,有时需要在软件中对片选信号进行操作,所以我们将片选型号的操作作为对象的另一个操作。在一些情况下,有些针对对象的活动需要延时进行,而在不同的平台中采取的延时方式不尽相同,为了操作方便我们将延时操作作为对象的一个操作。于是我们可抽象的LTC2400的对象类型如下:

1 /* 定义LTC2400对象类型 */
2 typedef struct Ltc2400Object {
3 LTC2400ClockType clock; //使用的时钟
4 uint32_t dataCode; //数据编码
5 void (*Receive)(uint8_t *rData); //接收数据
6 void (*ChipSelect)(LTC2400CSType cs); //实现片选
7 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //实现ms延时操作
8 }Ltc2400ObjectType;

  定义了LTC2400模数转换器的对象类型,我们还需要设计对象的初始化函数,因为对象必须初始化后才能使用。初始化函数至少包含有2方面内容:一是为对象变量赋必要的初值;二是检查这些初值是否是有效的。特别是一些操作指针错误的话可能产生严重的后果。基于这一原则,我们设计LTC2400模数转换器的对象初始化函数如下:

1 /* LTC2400对象初始化函数 */
2 void LTC2400Initialization(Ltc2400ObjectType *ltc,
3 LTC2400ClockType clock,
4 LTC2400Receive receive,
5 LTC2400ChipSelect cs,
6 LTC2400Delay msDelay)
7
8 {
9 if((ltc==NULL)||(receive==NULL)||(msDelay==NULL))
10 {
11 return;
12 }
13
14 ltc->dataCode=0;
15 ltc->clock=clock;
16
17 if(cs==NULL) //硬件电路实现片选
18 {
19 ltc->ChipSelect=DefaultChipSelect;
20 }
21 else
22 {
23 ltc->ChipSelect=cs;
24 }
25
26 ltc->Receive=receive;
27 ltc->Delayms=msDelay;
28 }

  至此关于LTC2400模数转换器的对象定义才算完成。在使用初始化函数时,需要注意片选操作函数,如果是采用硬件电路选中则可使用NULL作为参数。

2.2、对象操作

  我们获取对象的目的就是希望通过对象来得到我们想要的数据。对于LTC2400模数转器来说,就是从其接收ADC转换数据。所以我们封装LTC2400的操作函数如下:

1 /* 获取LTC2400转换数据,返回量程数据的比例值 */
2 float GetLtc2400Data(Ltc2400ObjectType *ltc)
3 {
4 uint8_t rData[4];
5
6 ltc->ChipSelect(LTC2400CS_Enable);
7 ltc->Delayms(1);
8
9 ltc->Receive(rData);
10
11 ltc->Delayms(1);
12 ltc->ChipSelect(LTC2400CS_Disable);
13
14 return CompoundLTC2400Data(ltc,rData);
15 }

  函数的返回值是转换结果的比例值,是一个浮点数,使用这一返回结果结合具体浮点数的量成范围就可以得到物理量值。

3、驱动的使用

  我们已经开发了LTC2400模数转换器的驱动程序,接下来我们用一个简单的实例验证这一驱动。

3.1、声明并初始化对象

  使用基于对象的操作我们需要先得到这个对象,所以我们先要使用前面定义的LTC2400模数转换器对象类型声明一个LTC2400模数转换器对象变量,具体操作格式如下:

  Ltc2400ObjectType ltc2400;

       声明了这个对象变量并不能立即使用,我们还需要使用驱动中定义的初始化函数对这个变量进行初始化。这个初始化函数所需要的输入参数如下:

  Ltc2400ObjectType *ltc,所要初始化的对象

  LTC2400ClockType clock,采用时钟方式

  LTC2400Receive receive,接收数据函数指针

  LTC2400ChipSelect cs,片选操作函数指针

  LTC2400Delay msDelay,延时函数指针

  对于这些参数,对象变量我们已经定义了。所使用的时钟方式为枚举,根据实际情况选择就好了。主要的是我们需要定义几个函数,并将函数指针作为参数。这几个函数的类型如下:

1 /*定义接收数据函数指针类型*/
2 typedef void (*LTC2400Receive)(uint8_t *rData);
3
4 /*定义片选信号函数指针类型*/
5 typedef void (*LTC2400ChipSelect)(LTC2400CSType cs);
6
7 /*定义延时操作函数指针类型*/
8 typedef void (*LTC2400Delay)(volatile uint32_t nTime);

  对于这几个函数我们根据样式定义就可以了,具体的操作可能与使用的硬件平台有关系。片选操作函数用于多设备需要软件操作时,如采用硬件片选可以传入NULL即可。具体函数定义如下:

1 /*定义读写操作函数指针类型*/
2 void LTC2400Recieve(uint8_t *rData)
3 {
4 HAL_SPI_Receive(&ltc2400hspi,rData,4,1000);
5 }
6
7 /*实现片选*/
8 void LTC2400ChipSelected(LTC2400CSType cs)
9 {
10 if(LTC2400CS_Enable==cs)
11 {
12 HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
13 }
14 else
15 {
16 HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
17 }
18 }

  对于延时函数我们可以采用各种方法实现。我们采用的STM32平台和HAL库则可以直接使用HAL_Delay()函数。于是我们可以调用初始化函数如下:

  LTC2400Initialization(&ltc2400,INTERNAL_CLOCK50Hz,LTC2400Recieve,LTC2400ChipSelected,HAL_Delay);

  这里我们将其初始化为使用改了内部时钟,采用软件控制片选信号。

3.2、基于对象进行操作

  我们定义了对象变量并使用初始化函数给其作了初始化。接着我们就来考虑操作这一对象获取我们想要的数据。我们在驱动中已经将获取数据并转换为转换值的比例值,接下来我们使用这一驱动开发我们的应用实例。

1 /* 获取LTC2400测量的物理量值 */
2 void GetLTC2400Value(void)
3 {
4 float ratio;
5 float phyValue;
6 float range=100.0;
7 float zero=0.0;
8
9 ratio=GetLtc2400Data(&ltc2400);
10
11 phyValue=(range-zero)*ratio+zero;
12 }

  在这一例中,我们计算了一个量程范围为0到100的物理量的值,如果检测的物理量不同,我们根据实际修改即可。

4、应用总结

  这一篇中,我们设计并实现了LTC2400模数转换器的驱动程序,并使用这一驱动开发了获取一个量程范围为0到100的温度信号的简单应用,得到的结果与我们预期一致,因此我们的驱动符合要求。

  在使用驱动时需注意,采用SPI接口的器件需要考虑片选操作的问题。如果片选信号是通过硬件电路来实现的,我们在初始化时给其传递NULL值。如果是软件操作片选则传递我们编写的片选操作函数。

  完整的源代码可在GitHub下载:https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver

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外设驱动库开发笔记7:LTC2400系列ADC驱动_外设驱动_04  


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