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拟量采集。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并實作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，內建了振蕩器、4ppm INL和0.3ppm RMS噪聲。所需外接基準電壓源的電壓範圍為0.1V～VCC;模拟信号輸入VIN的輸入電壓範圍為-0.125VREF～1.125VREF。
1.1、硬體結構
LTC2400模數轉換器采用與SPI接口相容的3線數字接口，可應用于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，資料采集，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内部已內建了高精度的振蕩器，是以采用片内振蕩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%時優于110dB的抑制，也可以由外部振蕩器驅動，使用者定義的抑制頻率在1Hz到120Hz之間。當晶片的F0腳接VCC時，使用内部振蕩器可對輸入信号中的50Hz幹擾進行大于110dB的抑制，其AD轉換時間為160ms;F0腳接GND時，使用内部振蕩器可對輸入信号中的60Hz幹擾進行大于110dB的抑制，AD轉換時間為133ms;當F0腳接外部振蕩器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以其擴充的輸入轉換範圍-12.5% VREF到112.5% VREF，平穩地解決了先前傳感器或信号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(内部或外部的SCK模式)。不同轉換模式的選擇無需對LTC2400的寄存器進行設定，并且不影響資料轉換周期。使用時鐘信号SCK(PIN7)控制轉換資料的輸出時，轉換結果将在時鐘CLK的下降沿由SDO腳輸出。在内部時鐘模式，SCK信号由LTC2400産生輸出在外部SCK模式，SCK為LTC2400外部輸入的時鐘信号。下面詳細介紹外部串行時鐘的三線接口方法。
當LTC2400上電時，如果SCK為低電平，轉換進入外部串行模式;在CS信号的下降沿，SCK信号必須為低電平。
當CS為高電平時，SDO為高阻态，此時，SDO連接配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，那麼，SDO的輸出狀态将用于訓示EOC。在AD轉換階段，SDO的輸出狀态EOC将變為高電平，而一旦轉換完成，EOC又變為低電平。在LTC2400處于睡眠狀态時，如果CS為低電平，系統會在SCK的上升沿将其喚醒。LTC2400的外部串行時鐘接口時序圖如下：
CS信号除用來檢測LTC2400的狀态和輸出AD轉換資料外，還可用來控制全部串行資料輸出之前進行的新一次AD轉換。在LTC2400處于資料輸出狀态時，CS由低變高以停止串行輸出，同時開始新的AD轉換。
由于在CS為高電平時，資料輸出端SDO為高阻态，是以，在LTC2400的轉換過程中，可通過将CS變為低電平來檢測轉換狀态。當CS為低電平時，SDO腳輸出的EOC信号為1，表示轉換正在進行;EOC為0表示轉換完成，系統處于睡眠狀态。當LTC2400處于睡眠狀态時，其轉換結果将儲存在内部移位寄存器中。CS為低可在SCK的上升沿喚醒LTC2400，此時轉換資料将在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，系統将在第32個下降沿開始的新一輪轉換。
一般情況下，在資料輸出過程中，如果CS為低電平，那麼，系統将在SCK的第一個上升沿和第32個下降沿中間将CS變高以停止資料輸出。
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轉換完成後将直接進入睡眠狀态。LTC2400的三線接口線分别是資料輸出(SDO)、時鐘(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态。睡眠狀态的供電電流僅為20μA。若CS一直為高電平，晶片将保持睡眠狀态。進入睡眠狀态時，資料最後的轉換結果将儲存在晶片内部的靜态移位寄存器中。
當CS變為低電平時，LTC2400開始輸出轉換結果，此時資料轉換沒有等待時間，輸出資料即為剛進行的轉換結果。該轉換結果是在串行時鐘SCK的控制下由SDO輸出的，并在SCK的下降沿更新，而在SCK的上升沿可靠讀取。當32位資料從LTC2400讀出或當CS被拉高時，資料輸出結束。此後LTC2400将自動開始新的資料轉換和重複周期。
2、驅動設計與實作
我們已經了解了LTC2400模數轉換器的基本情況，接下來我們将設計并實作LTC2400模數轉換器的驅動程式。
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内容：屬性和操作。關于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資料的器件，并沒有需要配置的地方，僅有一個時鐘通過外部引腳設定，是以為了應用更清楚我們将其時鐘引腳的配置作為其屬性記錄下來。另一個其傳回的資料帶有狀态辨別，我們将其作為另一個屬性以記錄目前的狀态。
至于操作也很簡單，首先我們要從LTC2400接收資料，而這個與具體的平台聯系緊密，是以我們将從LTC2400接收資料作為對象的一個操作。LTC2400模數轉換器采用SPI通訊接口，有時需要在軟體中對片選信号進行操作，是以我們将片選型号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，為了操作友善我們将延時操作作為對象的一個操作。于是我們可抽象的LTC2400的對象類型如下：
1 /* 定義LTC2400對象類型 */
2 typedef struct Ltc2400Object {
3 LTC2400ClockType clock; //使用的時鐘
4 uint32_t dataCode; //資料編碼
5 void (*Receive)(uint8_t *rData); //接收資料
6 void (*ChipSelect)(LTC2400CSType cs); //實作片選
7 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //實作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後才能使用。初始化函數至少包含有2方面内容：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。特别是一些操作指針錯誤的話可能産生嚴重的後果。基于這一原則，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) //硬體電路實作片選
18 {
19 ltc->ChipSelect=DefaultChipSelect;
20 }
21 else
22 {
23 ltc->ChipSelect=cs;
24 }
25
26 ltc->Receive=receive;
27 ltc->Delayms=msDelay;
28 } 至此關于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，如果是采用硬體電路選中則可使用NULL作為參數。
2.2、對象操作
我們擷取對象的目的就是希望通過對象來得到我們想要的資料。對于LTC2400模數轉器來說，就是從其接收ADC轉換資料。是以我們封裝LTC2400的操作函數如下：
1 /* 擷取LTC2400轉換資料，傳回量程資料的比例值 */
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 } 函數的傳回值是轉換結果的比例值，是一個浮點數，使用這一傳回結果結合具體浮點數的量成範圍就可以得到實體量值。
3、驅動的使用
我們已經開發了LTC2400模數轉換器的驅動程式，接下來我們用一個簡單的執行個體驗證這一驅動。
3.1、聲明并初始化對象
使用基于對象的操作我們需要先得到這個對象，是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并不能立即使用，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，采用時鐘方式
LTC2400Receive receive，接收資料函數指針
LTC2400ChipSelect cs，片選操作函數指針
LTC2400Delay msDelay，延時函數指針
對于這些參數，對象變量我們已經定義了。所使用的時鐘方式為枚舉，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，并将函數指針作為參數。這幾個函數的類型如下：
1 /*定義接收資料函數指針類型*/
2 typedef void (*LTC2400Receive)(uint8_t *rData);
3
4 /*定義片選信号函數指針類型*/
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); 對于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體平台有關系。片選操作函數用于多裝置需要軟體操作時，如采用硬體片選可以傳入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 /*實作片選*/
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 } 對于延時函數我們可以采用各種方法實作。我們采用的STM32平台和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數。于是我們可以調用初始化函數如下：
LTC2400Initialization(<c2400，INTERNAL_CLOCK50Hz，LTC2400Recieve，LTC2400ChipSelected，HAL_Delay);
這裡我們将其初始化為使用改了内部時鐘，采用軟體控制片選信号。
3.2、基于對象進行操作
我們定義了對象變量并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擷取我們想要的資料。我們在驅動中已經将擷取資料并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執行個體。
1 /* 擷取LTC2400測量的實體量值 */
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範圍為0到100的實體量的值，如果檢測的實體量不同，我們根據實際修改即可。
4、應用總結
這一篇中，我們設計并實作了LTC2400模數轉換器的驅動程式，并使用這一驅動開發了擷取一個量程範圍為0到100的溫度信号的簡單應用，得到的結果與我們預期一緻，是以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。如果片選信号是通過硬體電路來實作的，我們在初始化時給其傳遞NULL值。如果是軟體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下載下傳：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver
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