關(guān)于ADC我們已經(jīng)討論過不少了，但在不同的應(yīng)用需求下，我們會(huì)選擇不同的原件。在這里我們將討論ADS111x系列ADC驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1、功能概述

??ADS1113、 ADS1114 和 ADS1115 器件 (ADS111x)是兼容 I2C 的 16 位高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS111x 器件采用了低漂移電壓基準(zhǔn)和振蕩器。ADS1114 和 ADS1115 還采用可編程增益放大器(PGA) 和數(shù)字比較器。憑借這些特性加之較寬的工作電源電壓范圍，使得ADS111x非常適合功率受限和空間受限的傳感器測(cè)量應(yīng)用。其引腳定義及封裝如下：

??ADS111x 可在數(shù)據(jù)速率高達(dá)每秒 860 個(gè)樣本 (SPS)的情況下執(zhí)行轉(zhuǎn)換。PGA 可提供從 ±256mV 到±6.144V 的輸入范圍，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的大小信號(hào)測(cè)量。ADS1115具有一個(gè)輸入多路復(fù)用器 (MUX)，可實(shí)現(xiàn)兩路差分輸入測(cè)量或四路單端輸入測(cè)量。

1.1、通訊接口

??ADS111x通過I2C接口進(jìn)行通信。ADS111x有一個(gè)地址引腳ADDR，用來配置設(shè)備的I2C地址。這個(gè)引腳可以連接到GND、VDD、SDA或SCL，允許用一個(gè)引腳選擇四個(gè)不同的地址，具體如下：

??器件會(huì)對(duì)地址引腳的狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)采樣。優(yōu)先使用GND，VDD和SCL來設(shè)置期間地址。如果使用SDA設(shè)置設(shè)備地址，需要在SCL線路低電平后，至少保持SDA線路低電平100 ns，以確保I2C通信時(shí)設(shè)備正確解碼該地址。

1.2、寄存器

??ADS111x有四個(gè)寄存器，可以通過使用地址指針寄存器的I2C接口訪問。轉(zhuǎn)換寄存器包含最后一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。配置寄存器用于改變ADS111x的工作模式和查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)。另外兩個(gè)寄存器Lo_thresh和Hi_thresh設(shè)置了用于比較器函數(shù)的閾值，在ADS1113中不可用。

1.2.1、地址指針寄存器

??對(duì)ADS111x寄存器的操作都是通過寄存器地址指針寄存器來實(shí)現(xiàn)的，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

??對(duì)于做后兩位的定義為：00，轉(zhuǎn)換寄存器；01，配置寄存器；10，低門限值寄存器；11，高門限值寄存器。

1.2.2、轉(zhuǎn)換寄存器

??16位轉(zhuǎn)換寄存器以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存放最后一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。其格式如下：

??在上電之后，轉(zhuǎn)換寄存器被清除為0，并保持0直到第一次轉(zhuǎn)換完成。

1.2.3、配置寄存器

??16位配置寄存器用于控制操作模式，輸入選擇，數(shù)據(jù)速率，滿量程和比較器模式。其格式如下：

??多路選擇器用于配置當(dāng)前需要采集的通道，只有ADS1115具有該功能。PGA用于配置采集的增益大小，DR用于配置蘇劇的輸出速率。

1.2.4、門限值寄存器

??比較器使用的上下限閾值以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)在兩個(gè)16位寄存器中。比較器實(shí)現(xiàn)為數(shù)字比較器;因此，當(dāng)PGA設(shè)置發(fā)生更改時(shí)，這些寄存器中的值必須更新。具體的數(shù)據(jù)格式如下：

??通過設(shè)置高閾值寄存器MSB為1和低閾值寄存器MSB為0，可以啟用ALERT/RDY引腳的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備函數(shù)。要使用ALERT/RDY引腳的比較器函數(shù)，高閾值寄存器的值必須總是大于低閾值寄存器的值。當(dāng)設(shè)置為RDY模式時(shí)，ALERT/RDY引腳在單發(fā)模式下輸出OS位，在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下提供連續(xù)轉(zhuǎn)換就緒脈沖。

2、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在前述中我們已經(jīng)梳理了ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的相關(guān)技術(shù)特性。接下來我們需要依據(jù)我們了解的這些技術(shù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)程序。

2.1、對(duì)象定義

??與以前的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)一樣，我們依然是基于對(duì)象來設(shè)計(jì)ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)程序。所以我們要先抽象并定義ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象類型。一般來講對(duì)象包括屬性與操作兩方面，我們將據(jù)此逐一分析ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的屬性與操作。

??先考慮ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的屬性。ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用I2C接口總線，而每臺(tái)I2C的從站都有一個(gè)設(shè)備地址，該地址表示了每臺(tái)設(shè)備的身份，所以我們將器作為ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的一個(gè)屬性。此外為了查看當(dāng)前ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的配置情況，我們希望記錄配置寄存器的當(dāng)前值，所以我們?cè)O(shè)定一個(gè)屬性來記錄它。每次讀取回來的個(gè)通道的數(shù)據(jù)實(shí)際表示了各通道的當(dāng)前狀態(tài)所以我們也將其作為ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的屬性來記錄之。

??再來考慮ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象的操作。我們對(duì)ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要進(jìn)行的操作主要有下發(fā)命令、讀取數(shù)據(jù)等，這些動(dòng)作都需要依據(jù)具體的軟硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，我們以對(duì)象操作的方式來處理它。為了控制時(shí)序，我們需要延時(shí)操作函數(shù)，而延時(shí)操作也需要基于具體的平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，所以我們將延時(shí)函數(shù)也作為對(duì)象的一個(gè)操作。

??根據(jù)上述對(duì)ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)象屬性和操作的分析，我們可以抽象出ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)象類型如下：

/*定義ADS111x對(duì)象類型*/
typedef struct Ads111xObject {
    uint8_t devAddress;     //設(shè)備地址
    uint16_t dataCode[8];      //讀取的數(shù)據(jù)值
    uint16_t config;      //配置寄存器值
    void (*Transmit)(struct Ads111xObject *ads,uint8_t *tData,uint16_t tSize);
    void (*Receive)(struct Ads111xObject *ads,uint8_t *rData,uint16_t rSize);
    void (*Delayus)(volatile uint32_t nTime);       //實(shí)現(xiàn)us延時(shí)操作
}Ads111xObjectType;

??抽象了對(duì)象類型后就可聲明對(duì)象變量，可是這個(gè)對(duì)象變量必須作必要的初始化才能使用。所以我們需要一個(gè)初始化函數(shù)來對(duì)其進(jìn)行初始化。在此函數(shù)中，我們將檢測(cè)變量的有效性和初始狀態(tài)賦值，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的配置。根據(jù)這些要求我們?cè)O(shè)計(jì)ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)象初始化函數(shù)如下：

/*ADS111x初始化配置*/
void Ads111xInitialization(Ads111xObjectType *ads,  //ADS111x對(duì)象變量
                           uint8_t devAddress,      //設(shè)備地址
                           Ads111xGainType gain,    //增益
                           Ads111xDataRateType dr,  //輸出速率
                           Ads111xTransmit transmit,//發(fā)送函數(shù)指針
                           Ads111xReceive receive,  //接收函數(shù)指針
                           Ads111xDelayus delayus   //us延時(shí)函數(shù)指針
                           )
{
    uint16_t channels[]={0x0000,0x1000,0x2000,0x3000,0x4000,0x5000,0x6000,0x7000};
    uint16_t gains[]={0x0000,0x0200,0x0400,0x0600,0x0800,0x0A00};
    uint16_t dataRates[]={0x0000,0x0020,0x0040,0x0060,0x0080,0x00A0,0x00C0,0x00E0};
    uint16_t config=0x8103;

    if((ads==NULL)||(transmit==NULL)||(receive==NULL)||(delayus==NULL))
    {
        return ;
    }

    ads->Transmit=transmit;
    ads->Receive=receive;
    ads->Delayus=delayus;

    Ads111xReset(ads);

    if((devAddress==0x48)||(devAddress==0x49)||(devAddress==0x4A)||(devAddress==0x4B))
    {
        ads->devAddress=(devAddress<<1);
    }
    else if((devAddress==0x90)||(devAddress==0x92)||(devAddress==0x94)||(devAddress==0x96))
    {
        ads->devAddress=devAddress;
    }
    else
    {
        ads->devAddress=0x00;
    }

    config=config|channels[ADS111X_AIN0_AIN1]|gains[gain]|dataRates[dr];

    Ads111xWriteRegister(ads,ConfigRegister,config);
    ads->Delayus(200);
    ads->config=Ads111xReadRegister(ads,ConfigRegister);
}

2.2、對(duì)象操作

??為了從ADS111x訪問特定的寄存器，必須先向地址指針寄存器中寫一個(gè)適當(dāng)?shù)闹祦碇甘疽L問的寄存器地址。也就是說不論讀寫那個(gè)寄存器都需要首先寫地址指針寄存器才能實(shí)現(xiàn)。

2.2.1、讀寄存器

??當(dāng)從ADS111x讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先前寫入到地址指針寄存器的值決定了被讀取的是哪一個(gè)寄存器。要想改變所要度的寄存器需要先修改地址指針寄存器的值。也就是說都一個(gè)寄存器的值分為兩步完成，首先寫地址指針寄存器，然后再讀所指向的寄存器的值。具體的操作時(shí)序圖如下：

??根據(jù)前面的分析以及上述的時(shí)序圖我們可以實(shí)現(xiàn)讀ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器寄存器的操作函數(shù)如下：

/*讀ADS111x寄存器*/
static uint16_t Ads111xReadRegister(Ads111xObjectType *ads,Ads111xRegisterType reg)
{
     uint8_t wData;
     uint8_t rData[2];
     uint16_t result=0;

     wData=(uint8_t)reg;

     ads->Transmit(ads,&wData,1);
     ads->Delayus(200);
     ads->Receive(ads,rData,2);

     result=rData[0];
     result=(result<<8)+rData[1];

     return result;
}

??需要說明一下的是，如果是連續(xù)多次讀取同一個(gè)寄存器則不需要先修改地址指針寄存器的值。

2.2.2、寫寄存器

??對(duì)于ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說，寫一個(gè)寄存器也是從寫地址指針寄存器開始的。但是與讀寄存器不同的是并不是兩步完成的，而是一次全部完成，即先寫地址指針寄存器接著就寫所要寫的寄存器。具體的操作時(shí)序如下：

??根據(jù)我們前述的分析以及上面的時(shí)序圖，我們可以實(shí)現(xiàn)寫ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的函數(shù)如下：

/*寫ADS111x寄存器*/
static void Ads111xWriteRegister(Ads111xObjectType *ads,Ads111xRegisterType reg,uint16_t regValue)
{
    uint8_t wData[3];

    wData[0]=(uint8_t)reg;
    wData[1]=(uint8_t)(regValue>>8);
    wData[2]=(uint8_t)regValue;

    ads->Transmit(ads,wData,3);
}

3、驅(qū)動(dòng)的使用

??我們已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)程序，為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)程序的正確性，這一節(jié)我們將來討論基于驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1、聲明并初始化對(duì)象

??我們是基于對(duì)象實(shí)現(xiàn)的ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)程序，所以我們先來聲明一個(gè)ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的對(duì)象變量。

Ads111xObjectType ads1115;

??聲明了這個(gè)對(duì)象變量后，我們還需要使用前面實(shí)現(xiàn)的初始化函數(shù)Ads111xInitialization對(duì)這個(gè)對(duì)象變量進(jìn)行初始化。這個(gè)初始化函數(shù)所需要的輸入參數(shù)如下：

Ads111xObjectType *ads,  //ADS111x對(duì)象變量
uint8_t devAddress,      //設(shè)備地址
Ads111xGainType gain,    //增益
Ads111xDataRateType dr,  //輸出速率
Ads111xTransmit transmit,//發(fā)送函數(shù)指針
Ads111xReceive receive,  //接收函數(shù)指針
Ads111xDelayus delayus   //us延時(shí)函數(shù)指針

??在這些參數(shù)中，第一個(gè)為我們想要初始化的對(duì)象變量。devAddress就是ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)備地址，根據(jù)實(shí)際輸入即可。增益和數(shù)據(jù)輸出均為枚舉量，根據(jù)實(shí)際需要選擇輸入即可。還有三個(gè)函數(shù)指針是我們需要實(shí)現(xiàn)的參數(shù)，這幾個(gè)函數(shù)的原型定義如下：

typedef void (*Ads111xTransmit)(struct Ads111xObject *ads,uint8_t *tData,uint16_t tSize);
typedef void (*Ads111xReceive)(struct Ads111xObject *ads,uint8_t *rData,uint16_t rSize);
typedef void (*Ads111xDelayus)(volatile uint32_t nTime);       //實(shí)現(xiàn)us延時(shí)操作

??這些函數(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于具體的軟硬件平臺(tái)，這里我們基于STM32F103硬件平臺(tái)和HAL庫(kù)來實(shí)現(xiàn)的相關(guān)操作函數(shù)。

/*通過I2C2發(fā)送數(shù)據(jù)到ADS115*/
static void BmcbAds111xTransmit(struct Ads111xObject *ads,uint8_t *tData,uint16_t tSize)
{
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c2,ads->devAddress,tData,tSize,1000);
}

/*通過I2C2端口從ADS1115接收數(shù)據(jù)*/
static void BmcbAds111xReceive(struct Ads111xObject *ads,uint8_t *rData,uint16_t rSize)
{
    HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c2,ads->devAddress,rData,rSize,1000);
}

??而延時(shí)函數(shù)采用我們?cè)赟TM32系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的通用函數(shù)即可。于是我們可以使用初始化函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象變量初始化如下：

Ads111xInitialization(&ads1115,             //ADS111x對(duì)象變量
                  0x90,                 //設(shè)備地址
                  ADS111X_GAIN_8,      //增益
                  ADS111X_DR_128,       //輸出速率
                  BmcbAds111xTransmit,  //發(fā)送函數(shù)指針
                  BmcbAds111xReceive,   //接收函數(shù)指針
                  Delayus               //us延時(shí)函數(shù)指針
                  );

3.2、基于對(duì)象進(jìn)行操作

??我們初始化了對(duì)象變量就可一使用它來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作，所以我們含需要實(shí)現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)用函數(shù)。事實(shí)上，這款驅(qū)動(dòng)程序我們已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際的工程應(yīng)用中，所以我們節(jié)選其中關(guān)于讀取差分通道的操作。

Ads111xChannelType Channel[sChCount]={ADS111X_AIN0_AIN1,ADS111X_AIN2_AIN3};

    if(sCh>=sChCount)
    {
        sCh=0;
    }

    Ads111xGetDataCode(&ads1115,Channel[sCh]);
    sCh++;

    aPara.phyPara.pressure=Ads111xCalcPhysicalValue(&ads1115,ADS111X_AIN0_AIN1,PRES_RANGE,PRES_ZERO);
    aPara.phyPara.vacuum=Ads111xCalcPhysicalValue(&ads1115,ADS111X_AIN2_AIN3,VACU_RANGE,VACU_ZERO);

4、應(yīng)用總結(jié)

??我們就已經(jīng)完成了ADS111x系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。在我們的實(shí)際使用過程中運(yùn)行穩(wěn)定，效果也很好。

??在使用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需要注意，此驅(qū)動(dòng)只適用于ADS1113、 ADS1114 和 ADS1115 器件。