[实例] SPI接口的ADC芯片全通道纯硬件驱动——基于HAL库和TL2518芯片
0.概述
本次需要通过TI的TL2518芯片进行ADC采样。该芯片为SPI接口，具有八个通道，可以全部配置成AIN进行采样，本次需要探究如何该如何配置才能将芯片的采样率达到最大。
1.TLA2158
首先要陈列一下该芯片的一些特性，为节省篇幅，此处只罗列最关键的特性，该芯片的详细描述请查看其手册。
1.1.1寄存器读写
该芯片虽然是SPI接口，但是数据帧格式没有完全遵守SPI的标准格式，因此配置主机的SPI时，CS必须选择软件控制。
以上是其读写的时序，下面是我选用的SPI配置，这是从某开发板的例程上抄的。至于SPI的时间频率，建议选大一点，因为TL2518芯片SPI接口最快可以接受30MHz的SPI_CLK。
void SPI2_Init(u32 datasize)
{SPI2_Handler.Instance=SPI2; //SPI2SPI2_Handler.Init.Mode=SPI_MODE_MASTER; //设置SPI工作模式，设置为主模式SPI2_Handler.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES; //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线模式SPI2_Handler.Init.DataSize=datasize; //设置SPI的数据大小:寄存器读写时8bit；读数据时16bitSPI2_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_LOW; //串行同步时钟的空闲状态为高电平SPI2_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_1EDGE; //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样SPI2_Handler.Init.NSS=SPI_NSS_SOFT; //NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制SPI2_Handler.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256SPI2_Handler.Init.FirstBit=SPI_FIRSTBIT_MSB; //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始SPI2_Handler.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE; //关闭TI模式SPI2_Handler.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//关闭硬件CRC校验SPI2_Handler.Init.CRCPolynomial=7; //CRC值计算的多项式HAL_SPI_Init(&SPI2_Handler);//初始化__HAL_SPI_ENABLE(&SPI2_Handler); //使能SPI2// SPI2_ReadWriteByte(0Xff); //启动传输
}//SPI5底层驱动，时钟使能，引脚配置
//此函数会被HAL_SPI_Init()调用
//hspi:SPI句柄
void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); //使能GPIOB时钟__HAL_RCC_SPI2_CLK_ENABLE(); //使能SPI2时钟//PB13,14,15GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15;GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //复用推挽输出GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; //快速 HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
}void SPI2_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));//判断有效性__HAL_SPI_DISABLE(&SPI2_Handler); //关闭SPISPI2_Handler.Instance->CR1&=0XFFC7; //位3-5清零，用来设置波特率SPI2_Handler.Instance->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler;//设置SPI速度__HAL_SPI_ENABLE(&SPI2_Handler); //使能SPI}
1.1.2数据帧格式
TL2518的ADC分辨率为12bit，这意味着每次仅读回一字节数据是根本不够的，你必须按照半字读回，但多出来的四位也不会浪费，因为该芯片可以启用ID APPEND模式，在每帧数据的末尾附上所采样的通道ID。至于那个16bit的数据帧，则是开启了芯片过采样，这会降低你的总采样率，但是却能提高单次的采样分辨率。
利用ID APPEND模式，我们可以在不启用CRC的前提下，也能保证每次数据帧的正确性，你只需要解码ID即可。以下展示一下我的芯片寄存器是如何配置的。里面的一些宏定义没有完整展示，但你只要看芯片手册就能理解了，建议找一下官方写的TLA2528.h头文件这样你就不要自己去定义每个寄存器了。本随笔的重点在于后面如何配置来完成纯硬件驱动SPI来达到最高采样率的ADC采样。
/*************************************************
* 写入一串字符
*
* @param void
* @return void
* @author Chanlin
**************************************************/
static void TLA_WriteBytes(uint8_t bytes[],uint32_t size){TLA_CS = 0;while(size -- > 0){
// printf("byte:%x\t",*bytes);TLA_SPIReadWriteByte(*(bytes++));// bytes++;}TLA_CS = 1;
// printf("\r\n");
}/*************************************************
* 完成一次寄存器写入操作
*
* @param void
* @return void
* @author Chanlin
**************************************************/
static void TLA_WriteReg(Reg addr,Data data){// 先简单实现一下uint8_t bytes[3]; // 设置spi frame {WR_REG,addr,data}bytes[0] = WR_REG;bytes[1] = addr;bytes[2] = data;TLA_WriteBytes(bytes,3);
// delay_us(2);}/*************************************************
* 完成一次寄存器读取操作
*
* @param void
* @return void
* @author Chanlin
**************************************************/
static void TLA_ReadReg(Reg addr,Data* data){// 先简单实现一下uint8_t bytes[3]; // 读取数据帧 {RD_REG,addr,DUMMY};bytes[0] = RD_REG;bytes[1] = addr;bytes[2] = DUMMY;// 写入读取帧TLA_WriteBytes(bytes,3);// 读出数据TLA_CS = 0;*data=TLA_SPIReadWriteByte(DUMMY);TLA_CS = 1;// 解码完成后，读回数据
// *data=TLA_SPIReadWriteByte(DUMMY);
}// 以下是对寄存器的配置
// 读写检查TLA_WriteReg(GENERAL_CFG,0x01); // soft resetdelay_ms(20); // wait for the reset completingTLA_ReadReg(GENERAL_CFG,&data); // soft resetprintf("GENERAL_CFG:%x\r\n",data);TLA_ReadReg(OSR_CFG,&data); // soft resetprintf("OSR_CFG:%x\r\n",data);TLA_ReadReg(SYSTEM_STATUS,&data);printf("chip sys status:%x\r\n",data);if(data != 0x81){if(data == 0xc1) printf("chip sequence is ongoing\r\n");else printf("Cannot access the chip\r\n");}// timing
// TLA_WriteReg(OPMODE_CFG,0x0); // 默认高速时钟源，如果你发现时钟不对或者想要修改// pin
// TLA_WriteReg(PIN_CFG,0x00); // 全部设置为 AIN(默认)
// TLA_ReadReg(PIN_CFG,&data);
// printf("PIN_CFG:%x\r\n",data);// DATATLA_WriteReg(DATA_CFG,0x10); // 默认无debug，有ID APPEND，请检查此处时序设置是否正确TLA_ReadReg(DATA_CFG,&data);printf("DATA_CFG:%x\r\n",data);// modeTLA_WriteReg(AUTO_SEQ_CH_SEL,0xFF); // 默认通道全选TLA_ReadReg(AUTO_SEQ_CH_SEL,&data);printf("SEQ_CH:%x\r\n",data);TLA_WriteReg(SEQUENCE_CFG,0x11); // 默认使用auto-sequence mode且打开TLA_ReadReg(SEQUENCE_CFG,&data);printf("SEQUENCE_CFG:%x\r\n",data);TLA_CS =1;
// TLA_ReadReg(PIN_CFG,&data);printf("PIN_CFG:%x\r\n",data);// 使用manual试下
// TLA_WriteReg(CHANNEL_SEL,1);// ADC offset Calibwhile(1){TLA_ReadReg(GENERAL_CFG,&data);
// printf("ADC offset Calib:%x\r\n",data);if((data >> 1 & 0x1) == 0 && (data >>2 &0x01) == 1) break;// 非常重要的一点是，配完TLA2518的寄存器后，不要忘记把主机的SPI改成16bit的数据帧格式
__HAL_SPI_DISABLE(&SPI2_Handler);SPI2_Handler.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_16BIT;HAL_SPI_Init(&SPI2_Handler);//初始化__HAL_SPI_ENABLE(&SPI2_Handler);SPI2_SetSpeed(SPI_BAUDRATEPRESCALER_2); //设置为42M时钟,高速模式
1.2.1采样时间
该芯片可选时钟，但一般也不会在慢时钟源下运行，尤其是在用于ADC模式下，采样率越高越好。而该芯片最快采样率为1MHz，但考虑到其有八个通道，如果全开的话，分配到每个通道上最快也就125KHz。
1.2.2采样通道切换模式
TLA2518提供了三种通道切换模式分别是Mannual、On-the-fly和Auto-Sequence模式，这里仅介绍之后会用的Auto-Sequence模式（其实用on-the-fly模式也能实现）。
在使用这一模式时，你只需在最开始往寄存器中写好你要采样的通道，在上面展示的配置中，我把八个通道全开了。然后，你需要达到三个条件才能让整个时序动起来并读到你想要的数据。
- 1.控制CS引脚生成上升沿和下降沿；
- 2.控制SPI生成时钟，如果你是主机的话；
- 3.从SPI-DR寄存器中读取数据到内存，这样才能使用；
这三个条件放在一起时，很容易联想到采用PWM控制CS引脚，采用DMA来让SPI进行自动的收发，最终实现整个时序。
2.实现
毫无疑问，这里需要用的的片上外设资源包括：一个定时器的通道（要被配置成PWM），两个DMA(一个触发源为TIM_CH，一个触发源为SPI_RX)。以下是TIM的配置，当然也是抄的例程。
/*************************************************
*
*
* @param void
* @return void
* @author Chanlin
**************************************************/
void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{ TIM3_Handler.Instance=TIM3; //定时器3TIM3_Handler.Init.Prescaler=psc; //定时器分频TIM3_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;//向上计数模式TIM3_Handler.Init.Period=arr; //自动重装载值TIM3_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_PWM_Init(&TIM3_Handler); //初始化PWMTIM3_CH4Handler.OCMode=TIM_OCMODE_PWM1; //模式选择PWM1TIM3_CH4Handler.Pulse=arr/2; //设置比较值,此值用来确定占空比，默认比较值为自动重装载值的一半,即占空比为50%TIM3_CH4Handler.OCPolarity=TIM_OCPOLARITY_HIGH; //输出比较极性为低 HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM3_Handler,&TIM3_CH4Handler,TIM_CHANNEL_4);//配置TIM3通道2SET_BIT(TIM3_Handler.Instance->DIER,TIM_DIER_CC4DE_Msk);HAL_TIM_PWM_Start(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_4);//开启PWM通道2}/*************************************************
*
*
* @param void
* @return void
* @author Chanlin
**************************************************/
void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;if(htim->Instance==TIM3){__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); //使能定时器3
// __HAL_AFIO_REMAP_TIM3_PARTIAL(); //TIM3通道引脚部分重映射使能__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); //开启GPIOB时钟GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1; //PB1GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //复用推挽输出GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure); }
}以下是DMA的配置，这个真是我自己写的
/*************************************************
* 完成一次寄存器读取操作
*
* @param void
* @return void
* @author Chanlin
**************************************************/
static void ConfigDMA(){__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); //DMA1时钟使能 __HAL_LINKDMA(&SPI2_Handler,hdmarx,SPIxDMA_Handler); //将DMA与SPI联系起来(发送DMA)__HAL_LINKDMA(&SPI2_Handler,hdmatx,SPIxDMA_HandlerTX); //将DMA与SPI联系起来(发送DMA)//Rx DMA配置SPIxDMA_Handler.Instance=DMA1_Channel4; //通道选择SPIxDMA_Handler.Init.Direction=DMA_PERIPH_TO_MEMORY; //存储器到外设SPIxDMA_Handler.Init.PeriphInc=DMA_PINC_DISABLE; //外设非增量模式SPIxDMA_Handler.Init.MemInc=DMA_MINC_ENABLE; //存储器增量模式SPIxDMA_Handler.Init.PeriphDataAlignment=DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; //外设数据长度:8位SPIxDMA_Handler.Init.MemDataAlignment=DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; //存储器数据长度:8位SPIxDMA_Handler.Init.Mode=DMA_CIRCULAR; //外设循环模式SPIxDMA_Handler.Init.Priority=DMA_PRIORITY_HIGH; //中等优先级HAL_DMA_DeInit(&SPIxDMA_Handler); HAL_DMA_Init(&SPIxDMA_Handler);__HAL_DMA_ENABLE(&SPIxDMA_Handler);// TXSPIxDMA_HandlerTX.Instance=DMA1_Channel3; //通道选择SPIxDMA_HandlerTX.Init.Direction=DMA_MEMORY_TO_PERIPH; //存储器到外设SPIxDMA_HandlerTX.Init.PeriphInc=DMA_PINC_DISABLE; //外设非增量模式SPIxDMA_HandlerTX.Init.MemInc=DMA_MINC_ENABLE; //存储器增量模式SPIxDMA_HandlerTX.Init.PeriphDataAlignment=DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; //外设数据长度:8位SPIxDMA_HandlerTX.Init.MemDataAlignment=DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; //存储器数据长度:8位SPIxDMA_HandlerTX.Init.Mode=DMA_CIRCULAR; //外设循环模式SPIxDMA_HandlerTX.Init.Priority=DMA_PRIORITY_MEDIUM; //中等优先级HAL_DMA_DeInit(&SPIxDMA_HandlerTX); HAL_DMA_Init(&SPIxDMA_HandlerTX);__HAL_DMA_ENABLE(&SPIxDMA_HandlerTX);if (HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&SPI2_Handler, (uint8_t*)dummy_data, // 发送缓冲区(uint8_t*)s_arrAINChannelVal, // 接收缓冲区TLA2518_CHANNEL_MAX) != HAL_OK) {// 启动失败处理printf("SPI DMA start failed!\r\n");}}
在完成这些配置后，只需要控制TIM3输出的PWM的频率和占空比即可完成全自动的收发。考虑芯片的采样时钟特性，建议每周期1us以下，占空比进行调整，让每周期的CS低电平时间在50-100ns，高电平稍微占比多一点。