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。
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：
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：
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(<c2400hspi，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(<c2400，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(<c2400); 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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