有些時候我們需要對高精度的ADC來處理一些要求較高的模擬量采集。在處理溫控器的過程中我們就使用到了LTC2400這款ADC。接下來我們就來設計並實現LTC2400的驅動。
1、功能概述
LTC2400是一個供電電壓2.7V到5.5V的微功率24位轉換器，集成了振盪器、4ppm INL和0.3ppm RMS噪聲。所需外接基准電壓源的電壓范圍為0.1V～VCC;模擬信號輸入VIN的輸入電壓范圍為-0.125VREF～1.125VREF。
1.1、硬件結構
LTC2400模數轉換器采用與SPI接口兼容的3線數字接口，可應用於高分辨率和低頻應用場合，如稱重、溫度測量、氣體分析、應變儀，數據采集，工業控制等方面。它采用8腳SO-8封裝，其引腳排列如圖所示。
LTC2400內部已集成了高精度的振盪器，因此采用片內振盪器時不需要外接任何元件。通過一個引腳，LTC2400可以配置為在50Hz或60Hz±2%時優於110dB的抑制，也可以由外部振盪器驅動，用戶定義的抑制頻率在1Hz到120Hz之間。當芯片的F0腳接VCC時，使用內部振盪器可對輸入信號中的50Hz干擾進行大於110dB的抑制，其AD轉換時間為160ms;F0腳接GND時，使用內部振盪器可對輸入信號中的60Hz干擾進行大於110dB的抑制，AD轉換時間為133ms;當F0腳接外部振盪器fEOSC時，其抑制的頻率為fEOSC/2560，AD轉換時間為2048/fEOSC。
LTC2400轉換器接受任何外部參考電壓從0.1V到VCC。LTC2400以其擴展的輸入轉換范圍-12.5% VREF到112.5% VREF，平穩地解決了先前傳感器或信號調理電路的偏移和超量程問題。
1.2、通訊接口
通過對CS和SCK的控制，LTC2400可以提供幾種靈活的接口模式(內部或外部的SCK模式)。不同轉換模式的選擇無需對LTC2400的寄存器進行設置，並且不影響數據轉換周期。使用時鍾信號SCK(PIN7)控制轉換數據的輸出時，轉換結果將在時鍾CLK的下降沿由SDO腳輸出。在內部時鍾模式，SCK信號由LTC2400產生輸出在外部SCK模式，SCK為LTC2400外部輸入的時鍾信號。下面詳細介紹外部串行時鍾的三線接口方法。
當LTC2400上電時，如果SCK為低電平，轉換進入外部串行模式;在CS信號的下降沿，SCK信號必須為低電平。
當CS為高電平時，SDO為高阻態，此時，SDO連接的接口線可以作為其它應用。如果LTC2400在轉換和睡眠時CS為低電平，那么，SDO的輸出狀態將用於指示EOC。在AD轉換階段，SDO的輸出狀態EOC將變為高電平，而一旦轉換完成，EOC又變為低電平。在LTC2400處於睡眠狀態時，如果CS為低電平，系統會在SCK的上升沿將其喚醒。LTC2400的外部串行時鍾接口時序圖如下：
CS信號除用來檢測LTC2400的狀態和輸出AD轉換數據外，還可用來控制全部串行數據輸出之前進行的新一次AD轉換。在LTC2400處於數據輸出狀態時，CS由低變高以停止串行輸出，同時開始新的AD轉換。
由於在CS為高電平時，數據輸出端SDO為高阻態，因此，在LTC2400的轉換過程中，可通過將CS變為低電平來檢測轉換狀態。當CS為低電平時，SDO腳輸出的EOC信號為1，表示轉換正在進行;EOC為0表示轉換完成，系統處於睡眠狀態。當LTC2400處於睡眠狀態時，其轉換結果將保存在內部移位寄存器中。CS為低可在SCK的上升沿喚醒LTC2400，此時轉換數據將在SCK的下降沿串行輸出。EOC通常在SCK的第一個上升沿被鎖存，直到第32個上升沿鎖存結束，同時，系統將在第32個下降沿開始的新一輪轉換。
一般情況下，在數據輸出過程中，如果CS為低電平，那么，系統將在SCK的第一個上升沿和第32個下降沿中間將CS變高以停止數據輸出。
1.3、工作過程
LTC2400是一種低功耗、采用Δ-Σ技術且具有3線串行接口的AD轉換器，而且在AD轉換完成后將直接進入睡眠狀態。LTC2400的三線接口線分別是數據輸出(SDO)、時鍾(SCK)和片選(CS)。其工作流程如圖所示：
LTC2400完成轉換就進入睡眠狀態。睡眠狀態的供電電流僅為20μA。若CS一直為高電平，芯片將保持睡眠狀態。進入睡眠狀態時，數據最后的轉換結果將保存在芯片內部的靜態移位寄存器中。
當CS變為低電平時，LTC2400開始輸出轉換結果，此時數據轉換沒有等待時間，輸出數據即為剛進行的轉換結果。該轉換結果是在串行時鍾SCK的控制下由SDO輸出的，並在SCK的下降沿更新，而在SCK的上升沿可靠讀取。當32位數據從LTC2400讀出或當CS被拉高時，數據輸出結束。此后LTC2400將自動開始新的數據轉換和重復周期。
2、驅動設計與實現
我們已經了解了LTC2400模數轉換器的基本情況，接下來我們將設計並實現LTC2400模數轉換器的驅動程序。
2.1、對象定義
首先我們需要抽象出LTC2400模數轉換器的對象類型。作為一個對象最起碼包括量方面的內容：屬性和操作。關於LTC2400模數轉換器的屬性我們簡單分析一下。LTC2400模數轉換器是一個主動發送數據的器件，並沒有需要配置的地方，僅有一個時鍾通過外部引腳設置，所以為了應用更清楚我們將其時鍾引腳的配置作為其屬性記錄下來。另一個其返回的數據帶有狀態標識，我們將其作為另一個屬性以記錄當前的狀態。
至於操作也很簡單，首先我們要從LTC2400接收數據，而這個與具體的平台聯系緊密，所以我們將從LTC2400接收數據作為對象的一個操作。LTC2400模數轉換器采用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。於是我們可抽象的LTC2400的對象類型如下：
1 /* 定義LTC2400對象類型 */ 2 typedef struct Ltc2400Object { 3 LTC2400ClockType clock; //使用的時鍾 4 uint32_t dataCode; //數據編碼 5 void (*Receive)(uint8_t *rData); //接收數據 6 void (*ChipSelect)(LTC2400CSType cs); //實現片選 7 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //實現ms延時操作 8 }Ltc2400ObjectType;
定義了LTC2400模數轉換器的對象類型，我們還需要設計對象的初始化函數，因為對象必須初始化后才能使用。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LTC2400模數轉換器的對象初始化函數如下：
1 /* LTC2400對象初始化函數 */ 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) //硬件電路實現片選 18 { 19 ltc->ChipSelect=DefaultChipSelect; 20 } 21 else 22 { 23 ltc->ChipSelect=cs; 24 } 25 26 ltc->Receive=receive; 27 ltc->Delayms=msDelay; 28 }
至此關於LTC2400模數轉換器的對象定義才算完成。在使用初始化函數時，需要注意片選操作函數，如果是采用硬件電路選中則可使用NULL作為參數。
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據。對於LTC2400模數轉器來說，就是從其接收ADC轉換數據。所以我們封裝LTC2400的操作函數如下：
1 /* 獲取LTC2400轉換數據，返回量程數據的比例值 */ 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 }
函數的返回值是轉換結果的比例值，是一個浮點數，使用這一返回結果結合具體浮點數的量成范圍就可以得到物理量值。
3、驅動的使用
我們已經開發了LTC2400模數轉換器的驅動程序，接下來我們用一個簡單的實例驗證這一驅動。
3.1、聲明並初始化對象
使用基於對象的操作我們需要先得到這個對象，所以我們先要使用前面定義的LTC2400模數轉換器對象類型聲明一個LTC2400模數轉換器對象變量，具體操作格式如下：
Ltc2400ObjectType ltc2400;
聲明了這個對象變量並不能立即使用，我們還需要使用驅動中定義的初始化函數對這個變量進行初始化。這個初始化函數所需要的輸入參數如下：
Ltc2400ObjectType *ltc，所要初始化的對象
LTC2400ClockType clock，采用時鍾方式
LTC2400Receive receive，接收數據函數指針
LTC2400ChipSelect cs，片選操作函數指針
LTC2400Delay msDelay，延時函數指針
對於這些參數，對象變量我們已經定義了。所使用的時鍾方式為枚舉，根據實際情況選擇就好了。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：
1 /*定義接收數據函數指針類型*/ 2 typedef void (*LTC2400Receive)(uint8_t *rData); 3 4 /*定義片選信號函數指針類型*/ 5 typedef void (*LTC2400ChipSelect)(LTC2400CSType cs); 6 7 /*定義延時操作函數指針類型*/ 8 typedef void (*LTC2400Delay)(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：
1 /*定義讀寫操作函數指針類型*/ 2 void LTC2400Recieve(uint8_t *rData) 3 { 4 HAL_SPI_Receive(<c2400hspi，rData，4，1000); 5 } 6 7 /*實現片選*/ 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 }
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：
LTC2400Initialization(<c2400，INTERNAL_CLOCK50Hz，LTC2400Recieve，LTC2400ChipSelected，HAL_Delay);
這里我們將其初始化為使用改了內部時鍾，采用軟件控制片選信號。
3.2、基於對象進行操作
我們定義了對象變量並使用初始化函數給其作了初始化。接着我們就來考慮操作這一對象獲取我們想要的數據。我們在驅動中已經將獲取數據並轉換為轉換值的比例值，接下來我們使用這一驅動開發我們的應用實例。
1 /* 獲取LTC2400測量的物理量值 */ 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(<c2400); 10 11 phyValue=(range-zero)*ratio+zero; 12 }
在這一例中，我們計算了一個量程范圍為0到100的物理量的值，如果檢測的物理量不同，我們根據實際修改即可。
4、應用總結
這一篇中，我們設計並實現了LTC2400模數轉換器的驅動程序，並使用這一驅動開發了獲取一個量程范圍為0到100的溫度信號的簡單應用，得到的結果與我們預期一致，因此我們的驅動符合要求。
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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