外設驅動庫開發筆記4：AD9833函數發生器驅動

　　很多時候我們需要輸出某種函數信號，如方波、三角波、正弦波等，但想要獲得這樣的函數信號，不論是硬件電路還是軟件實現，卻並不是一件簡單的事情。不過AD9833這類函數生成芯片可以簡化這方面的操作，這一節我們就來設計並實現AD9833的驅動。

1、功能概述

　　各種類型的檢測、信號激勵和時域反射(TDR)應用都需要波形發生器。而AD9833就是一款低功耗、可編程波形發生器，能夠產生正弦波、三角波和方波輸出。

1.1、硬件配置及功能描述

　　AD9833無需額外的外部元件就能夠產生正弦波、三角波和方波輸出。輸出頻率和相位可通過軟件進行編程，調整簡單。AD9833通過一個三線式串行接口寫入數據。該串行接口能夠以最高40 MHz的時鍾速率工作，並且與DSP和微控制器標准兼容。該器件采用2.3 V至5.5 V電源供電。

 

1.2、內部寄存器

　　AD9833包含一個16位控制寄存器，讓用戶可以配置AD9833的操作。mode位之外的所有控制位均在MCLK的內部下降沿采樣。

 

　　控制寄存器各位的含義如下：

 

　　AD9833包含兩個頻率寄存器和兩個相位寄存器，頻率寄存器為28位：時鍾速率為25 MHz時，可以實現0.1 Hz的分辨率；而時鍾速率為1 MHz時，則可以實現0.004 Hz的分辨率。

 

　　每次寫數據時，都是從寫控制寄存器器開始，每次寫的16為數據的高兩位用以決定所寫的寄存器。

 

       如上圖所示，寫不同寄存器時高兩位需根據寄存器的不同設定不同的值。

2、驅動設計與實現

　　我們已經了解了AD9833的基本情況。接下來我們就據此實現AD9833波形發生器驅動的設計及實現。

2.1、對象定義

　　AD9833波形發生器的驅動依然采用基於對象的操作，所以我們需要先得到AD9833波形發生器的對象。

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容，我們先來分析一下AD9833波形發生器對象需要包含哪些屬性和操作。

　　對於AD9833波形發生器來說，控制寄存器的狀態決定了下一步的操作，所以我們將控制寄存器的狀態抽象為對象的屬性，以便隨時掌握操作的目標。此外，作為函數發生器，輸出的信號具有周期性，在輸出頻率固定的情況下，計算有一個常數，我們將其作為屬性已確認輸出型號的頻率。

　　進而我們考慮AD9833波形發生器對象的操作。首先我們要操作AD9833波形發生器則需要向其傳送數據，所以我們將向AD9833波形發生器寫數據作為對象的一個操作。AD9833波形發生器采用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，而在不同的平台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。

　　據以上的分析我們可以抽象AD9833波形發生器的對象類型如下：

/* 定義AD9833對象類型 */
typedef struct Ad9833Object{
       uint16_t ctlRegister;                //控制寄存器
       float freqConstant;                          //頻率計算常數
       void (*WriteData)(uint8_t *tData，uint16_t tSize);        //向DAC發送數據
       void (*ChipSelcet)(AD9833CSType en);     //片選信號
       void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime);       //ms延時操作指針
}Ad9833ObjectType;

2.1.2、對象初始化

　　我們雖然得到了AD9833的對象，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AD9833波形發生器對象的初始化函數。

　　初始化函數至少包含有2方面內容：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生嚴重的后果。基於這一原則，我們設計AD9833波形發生器的對象初始化函數如下：

/* 初始化AD9833對象 */
void AD9833Initialization(Ad9833ObjectType *dev，
                                           float mclk，
                                           AD9833WriteData write，
                                           AD9833ChipSelcet cs，
                                           AD9833Delayms delayms)
{
       if((dev==NULL)||(write==NULL)||(delayms==NULL))
       {
              return;
       }
      
       dev->ctlRegister=0x0000;
      
       if(mclk>0)
       {
              dev->freqConstant=268.435456/mclk;
       }
       else
       {
              dev->freqConstant=10.73741824; //默認是25M
       }
 
       dev->WriteData=write;
       dev->Delayms=delayms;
      
       if(cs!=NULL)
       {
              dev->ChipSelcet=cs;
       }
       else
       {
              dev->ChipSelcet=DefaultChipSelcet;
       }
} 

2.2、對象操作

　　我們已知AD9833波形發生器包含3類寄存器：控制寄存器、頻率寄存器和相位寄存器。接下來我們就實現對這三個寄存器的操作。

2.2.1、操作控制寄存器

　　AD9833波形發生器有一個16位的控制寄存用於配置各種操作。其中DB13(B28)、DB12(HLB)、DB11(FSELECT)、DB10(PSELECT)、DB8(RESET)、DB7(SLEEP1)、DB6(SLEEP12)、DB5(OPBITEN)、DB3(DIV2)、DB1(MODE)等位是可以操作的。與頻率寄存器和相位寄存器相關的配置我們在后續說明，這里先看看復位、休眠及輸出模式的配置。

　　AD9833上電時，器件應復位。要使AD9833復位， 應將DB8(RESET)位置1。要使器件退出復位，應將該位清0。在reset 置0后的8個MCLK周期內，DAC輸出端會出現信號。復位功能可使相應的內部寄存器復位至0，以提供中間電平的模擬輸出。復位操作不會使相位、頻率或控制寄存器復位。

/* 復位AD9833對象 */
void ResetAD9833Object(Ad9833ObjectType *dev)
{
       uint16_t regValue=dev->ctlRegister;
      
       regValue|=AD9833_CTRLRESET;
       SendToAD9833(dev，regValue);
      
       dev->Delayms(1);
      
       regValue&=(~AD9833_CTRLRESET);
       SendToAD9833(dev，regValue);
      
       dev->ctlRegister=regValue;
}

　　SLEEP功能可關斷AD9833中不使用的部分，以將功耗降至最低。可關斷的芯片部分是內部時鍾和DAC。休眠功能需要操作DB7(SLEEP1)和DB6(SLEEP12)位。具體配置如下：

 

/* 設置AD9833休眠狀態 */
void SetAD9833SleepMode(Ad9833ObjectType *dev，Ad9833SleepMode mode)
{
       uint16_t regValue=dev->ctlRegister;
 
       regValue&=(~(AD9833_CTRLSLEEP1|AD9833_CTRLSLEEP12));
      
       switch(mode)
       {
              case DACTurnOff:
              {
                     regValue|=AD9833_CTRLSLEEP12;
                     break;
              }
              case MCLKTurnOff:
              {
                     regValue|=AD9833_CTRLSLEEP1;
                     break;
              }
              case DACMCLKTurnOff:
              {
                     regValue|=(AD9833_CTRLSLEEP1|AD9833_CTRLSLEEP12);
                     break;
              }
              default:
              {
                     break;
              }
       }
       SendToAD9833(dev，regValue);
      
       dev->ctlRegister=regValue;
}

　　AD9833可從芯片提供各種輸出，所有這些輸出均通過VOUT引腳提供。輸出選項包括DAC數據的MSB、正弦波 輸出或三角波輸出。控制寄存器的DB5(OPBITEN)、DB3(DIV2)和DB1(MODE)決定 AD9833將提供的輸出。具體如下：

 

/* 設置AD9833的輸出模式 */
void SetAD9833OutputMode(Ad9833ObjectType *dev，Ad9833OutMode mode)
{
       uint16_t regValue=dev->ctlRegister;
      
       regValue&=(~(AD9833_CTRLOPBITEN|AD9833_CTRLDIV2|AD9833_CTRLMODE));
      
       switch(mode)
       {
              case triangular:
              {
                     regValue|=AD9833_CTRLMODE;
                     break;
              }
              case square_msb_2:
              {
                     regValue|=AD9833_CTRLOPBITEN;
                     break;
              }
              case square_msb:
              {
                     regValue|=(AD9833_CTRLOPBITEN|AD9833_CTRLDIV2);
                     break;
              }
              default:
              {
                     break;
              }
       }
 
       SendToAD9833(dev，regValue);
      
       dev->ctlRegister=regValue;
}

2.2.2、操作頻率寄存器

　　寫頻率寄存器時，Bit D15和Bit D14設置為01或10。控制寄存DB13(B28)和DB12(HLB)位決定操作的頻率寄存器。如果希望更改某個頻率寄存器的全部內容，則必須向 同一地址執行兩次連續寫入，因為頻率寄存器是28位寬。 第一次寫入包含14個LSB，第二次寫入則包含14個MSB。 對於此工作模式，B28(D13)控制位應置1。在某些應用中，用戶無需更新頻率寄存器的全部28個位。 在粗調情況下，只需更新14個MSB，而在精調情況下，則只需更新14個LSB。通過將B28 (D13)控制位清0時，28位頻率寄存器用作兩個14位寄存器，其中一個包含14個MSB，另一個則包含14個LSB。這意味着，可單獨更新頻率字的 14個MSB而不影響14個LSB，反之亦然。控制寄存器中的 Bit HLB (D12)確定要更新的具體14個位。數據結構如下：

 

/* 設置頻率寄存器的值 */
void SetAD9833FreqRegister(Ad9833ObjectType *dev，WriteAd9833FreqReg reg，uint32_t freqValue)
{
       uint16_t msbFreq，lsbFreq;
       uint32_t freqReg;
      
       freqReg =(uint32_t)(dev->freqConstant*freqValue);
       lsbFreq = (freqReg & 0x0003FFF);
       msbFreq = ((freqReg & 0xFFFC000) >> 14);
      
       ConfigFreqRegisterStyle(dev，reg);
      
       switch(reg)
       {
              case FREQ0_B28:
              {
                     lsbFreq |=FREQ0_Address;
                     SendToAD9833(dev，lsbFreq);
                     msbFreq |=FREQ0_Address;
                     SendToAD9833(dev，msbFreq);
                     break;
              }
              case FREQ0_B14_LSB:
              {
                     lsbFreq |=FREQ0_Address;
                     SendToAD9833(dev，lsbFreq);
                     break;
              }
              case FREQ0_B14_MSB:
              {
                     msbFreq |=FREQ0_Address;
                     SendToAD9833(dev，msbFreq);
                     break;
              }
              case FREQ1_B28:
              {
                     lsbFreq |=FREQ1_Address;
                     SendToAD9833(dev，lsbFreq);
                     msbFreq |=FREQ1_Address;
                     SendToAD9833(dev，msbFreq);
                     break;
              }
              case FREQ1_B14_LSB:
              {
                     lsbFreq |=FREQ1_Address;
                     SendToAD9833(dev，lsbFreq);
                     break;
              }
              case FREQ1_B14_MSB:
              {
                     msbFreq |=FREQ1_Address;
                     SendToAD9833(dev，msbFreq);
                     break;
              }
              default:
              {
                     break;
              }
       }
}

2.2.3、操作相位寄存器

　　寫入相位寄存器時，Bit D15和Bit D14設置為11。Bit D13確定將載入的相位寄存器。具體結構如下：

 

/* 設置相位寄存器的值 */
void SetAD9833PhaseRegister(Ad9833ObjectType *dev，Ad9833PhaseReg reg，float phaseValue)
{
       uint16_t phaseReg=0;
       float phaseConstant=651.8986469;
      
       phaseReg=(uint16_t)(phaseValue*phaseConstant);
       phaseReg&=0x0FFF;
      
       if(reg==PHASE0)
       {
              phaseReg|=PHASE0_Address;
       }
       else
       {
              phaseReg|=PHASE1_Address;
       }
      
       SendToAD9833(dev，phaseReg);
}

3、驅動的使用

　　我們已經設計並實現了AD9833波形發生器的驅動，接下來我們考慮如何使用這一驅動程序實現AD9833波形發生器的應用。

3.1、聲明並初始化對象

　　驅動是基於對象的操作設計的，所以我們先要使用Ad9833ObjectType聲明對象變量。形如：

　　Ad9833ObjectType ad9833;

　　聲明了這個對象變量並不能用於操作AD9833波形發生器，我們還需要使用初始化函數對對象變量進行初始化。初始換函數所需參數如下：

　　Ad9833ObjectType *dev，所要初始化的AD9833對象設備

　　float mclk，AD9833采用的數字時鍾，默認為25M

　　AD9833WriteData write，寫AD9833對象函數

　　AD9833ChipSelcet cs，AD9833片選信號操作函數

　　AD9833Delayms delayms，操作ms延時函數

　　對於這些參數，對象變量我們已經定義了。AD9833采用的數字時鍾則根據我們的實際使用情況輸入。主要的是我們需要定義幾個函數，並將函數指針作為參數。這幾個函數的類型如下：

/* 定義AD9833寫數據指針類型 */
typedef void (*AD9833WriteData)(uint8_t *tData，uint16_t tSize);

/* 定義AD9833片選操作指針類型 */
typedef void (*AD9833ChipSelcet)(AD9833CSType en);

/* 定義AD9833 ms延時操作指針類型 */
typedef void (*AD9833Delayms)(volatile uint32_t nTime);

　　對於這幾個函數我們根據樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬件平台有關系。片選操作函數用於多設備需要軟件操作時，如采用硬件片選可以傳入NULL即可。具體函數定義如下：

/*定義片選信號函數*/
void AD9833CS(AD9833CSType en)
{
       if(AD9833CS_ENABLE==en)
       {
              HAL_GPIO_WritePin(GPIOF， GPIO_PIN_4， GPIO_PIN_RESET);
       }
       else
       {
              HAL_GPIO_WritePin(GPIOF， GPIO_PIN_4， GPIO_PIN_SET);
       }
}
 
/*定義發送數據函數*/
void AD9833TransmitData(uint8_t *wData，uint16_t wSize)
{
       HAL_SPI_Transmit (&ad9833hspi， wData， wSize， 1000);
}

　　對於延時函數我們可以采用各種方法實現。我們采用的STM32平台和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數。於是我們可以調用初始化函數如下：

　　AD9833Initialization(&ad9833，25.0，AD9833TransmitData，AD9833CS，HAL_Delay);

3.2、基於對象進行操作

　　接下來我們將操作對象生成我們想要的波形。如我們想要生成頻率為10MHz，相位為0的正弦波，編碼如下：

/* 生成波形 */
void SignalGenerator(void)
{
       SetAD9833FreqRegister(&ad9833，FREQ0_B28，10000000);
       SetAD9833PhaseRegister(&ad9833，PHASE0，0.0);
      
       SelectAD9833FregRegister(&ad9833，FREQ0);
       SelectAD9833PhaseRegister(&ad9833，PHASE0);
      
       SetAD9833OutputMode(&ad9833，sinusoid);
}

　　在這段程序中我們使用的是頻率寄存器0和相位寄存器0，並且頻率寄存器采用的是修改28位的形式。對於其他的操作方式我們我們可以作相應的更改。

4、應用總結

　　我們已經實現AD9833波形發生器的驅動及基於此驅動的應用。我們輸出正弦波，三角波及方波均得到了與我們預期一致的結果，說明驅動的設計是符合需求的。

　　控制寄存器的DB11(FSELECT)和DB10(PSELECT)位決定所使用的頻率寄存器和相位寄存器，默認是FREQ0寄存器和PHASE0寄存器。若需要修改則可以調用SelectAD9833FregRegister和SelectAD9833PhaseRegister函數進行配置。

　　在使用驅動時需注意，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。

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

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