AD7689 12位串行ADC驱动与应用
AD7689是一款16位/12位可配置、8通道、电压输入的串行ADC。
AD7689特性概述
- 分辨率：12位/16位可配置
- 通道数：8个单端或4个差分输入
- 接口：SPI兼容串行接口
- 采样率：最高250kSPS
- 电压范围：0V至VREF（2.5V至5V）
- 低功耗：典型值3.5mW（250kSPS时）
硬件连接
引脚定义
// AD7689引脚定义
#define AD7689_CNV_PIN GPIO_PIN_0 // 转换启动
#define AD7689_CNV_PORT GPIOA
#define AD7689_SCK_PIN GPIO_PIN_1 // 串行时钟
#define AD7689_SCK_PORT GPIOA
#define AD7689_SDO_PIN GPIO_PIN_2 // 数据输出
#define AD7689_SDO_PORT GPIOA
#define AD7689_SDI_PIN GPIO_PIN_3 // 数据输入（配置）
#define AD7689_SDI_PORT GPIOA
// 参考电压（根据实际电路）
#define AD7689_VREF 3.3f // 参考电压3.3V
软件驱动实现
1. 寄存器配置定义
// AD7689配置寄存器位定义
typedef union {
struct {
uint16_t CFG : 3; // 配置位
uint16_t INCC : 3; // 输入通道配置
uint16_t INX : 3; // 通道选择
uint16_t BW : 1; // 带宽
uint16_t REF : 2; // 参考电压选择
uint16_t SEQ : 2; // 序列器模式
uint16_t RB : 1; // 回读配置
uint16_t reserved : 1; // 保留
} bits;
uint16_t value;
} AD7689_Config_t;
// 输入通道配置
typedef enum {
AD7689_INCC_UNIPOLAR_GROUND = 0, // 单极性，参考GND
AD7689_INCC_UNIPOLAR_COM, // 单极性，参考COM
AD7689_INCC_BIPOLAR, // 双极性
AD7689_INCC_UNIPOLAR_DIFF, // 单极性差分
AD7689_INCC_BIPOLAR_DIFF, // 双极性差分
AD7689_INCC_TEMPERATURE // 温度传感器
} AD7689_InputConfig_t;
// 通道选择
typedef enum {
AD7689_CH0 = 0,
AD7689_CH1,
AD7689_CH2,
AD7689_CH3,
AD7689_CH4,
AD7689_CH5,
AD7689_CH6,
AD7689_CH7,
AD7689_TEMP, // 温度传感器
AD7689_COM, // COM输入
AD7689_DIFF0, // 差分对0 (CH0-CH1)
AD7689_DIFF1, // 差分对1 (CH2-CH3)
AD7689_DIFF2, // 差分对2 (CH4-CH5)
AD7689_DIFF3 // 差分对3 (CH6-CH7)
} AD7689_Channel_t;
// 参考电压选择
typedef enum {
AD7689_REF_INTERNAL = 0, // 内部参考
AD7689_REF_EXTERNAL, // 外部参考
AD7689_REF_SUPPLY, // 电源电压作为参考
AD7689_REF_RESERVED
} AD7689_RefSelect_t;
// 序列器模式
typedef enum {
AD7689_SEQ_DISABLE = 0, // 禁用序列器
AD7689_SEQ_UPDATE, // 更新配置
AD7689_SEQ_SCAN_0_TO_X, // 扫描0到X
AD7689_SEQ_RESERVED
} AD7689_Sequencer_t;
2. AD7689驱动类
class AD7689 {
private:
// GPIO操作内联函数
__inline void CNV_High(void) {
HAL_GPIO_WritePin(AD7689_CNV_PORT, AD7689_CNV_PIN, GPIO_PIN_SET);
}
__inline void CNV_Low(void) {
HAL_GPIO_WritePin(AD7689_CNV_PORT, AD7689_CNV_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}
__inline void SCK_High(void) {
HAL_GPIO_WritePin(AD7689_SCK_PORT, AD7689_SCK_PIN, GPIO_PIN_SET);
}
__inline void SCK_Low(void) {
HAL_GPIO_WritePin(AD7689_SCK_PORT, AD7689_SCK_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}
__inline void SDI_High(void) {
HAL_GPIO_WritePin(AD7689_SDI_PORT, AD7689_SDI_PIN, GPIO_PIN_SET);
}
__inline void SDI_Low(void) {
HAL_GPIO_WritePin(AD7689_SDI_PORT, AD7689_SDI_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}
__inline uint8_t SDO_Read(void) {
return HAL_GPIO_ReadPin(AD7689_SDO_PORT, AD7689_SDO_PIN);
}
// 微秒延时函数
void delay_us(uint16_t us) {
uint32_t ticks = us * (SystemCoreClock / 1000000) / 10;
volatile uint32_t i;
for(i = 0; i < ticks; i++);
}
AD7689_Config_t current_config;
float vref;
public:
// 构造函数
AD7689(float reference_voltage = AD7689_VREF) {
vref = reference_voltage;
initialize_default_config();
}
// 初始化函数
void init(void) {
// 初始化GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// CNV引脚（输出）
GPIO_InitStruct.Pin = AD7689_CNV_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(AD7689_CNV_PORT, &GPIO_InitStruct);
// SCK引脚（输出）
GPIO_InitStruct.Pin = AD7689_SCK_PIN;
HAL_GPIO_Init(AD7689_SCK_PORT, &GPIO_InitStruct);
// SDI引脚（输出）
GPIO_InitStruct.Pin = AD7689_SDI_PIN;
HAL_GPIO_Init(AD7689_SDI_PORT, &GPIO_InitStruct);
// SDO引脚（输入）
GPIO_InitStruct.Pin = AD7689_SDO_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(AD7689_SDO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// 初始状态
CNV_Low();
SCK_Low();
SDI_Low();
printf("AD7689 Initialized with VREF = %.2fV\n", vref);
}
// 默认配置
void initialize_default_config(void) {
current_config.bits.CFG = 0; // 正常模式
current_config.bits.INCC = AD7689_INCC_UNIPOLAR_GROUND;
current_config.bits.INX = AD7689_CH0;
current_config.bits.BW = 0; // 全带宽
current_config.bits.REF = AD7689_REF_EXTERNAL;
current_config.bits.SEQ = AD7689_SEQ_DISABLE;
current_config.bits.RB = 0; // 不回读配置
current_config.bits.reserved = 0;
}
// 配置特定通道
void configure_channel(AD7689_Channel_t channel,
AD7689_InputConfig_t input_config,
AD7689_RefSelect_t ref_select) {
current_config.bits.INX = channel;
current_config.bits.INCC = input_config;
current_config.bits.REF = ref_select;
}
// 单次转换
uint16_t single_conversion(void) {
uint16_t result = 0;
// 启动转换
CNV_High();
delay_us(1); // tCONV最小时间
// 转换完成，开始读取数据
CNV_Low();
// 读取16位数据（12位有效数据在低12位）
for(int i = 15; i >= 0; i--) {
SCK_High();
delay_us(1);
if(SDO_Read()) {
result |= (1 << i);
}
SCK_Low();
delay_us(1);
}
return result & 0x0FFF; // 取低12位
}
// 带配置的转换
uint16_t conversion_with_config(AD7689_Config_t config) {
uint16_t result = 0;
// 启动转换
CNV_High();
delay_us(1);
// 转换完成，开始传输
CNV_Low();
// 同时写入配置和读取数据
for(int i = 15; i >= 0; i--) {
// 设置SDI（配置位）
if(config.value & (1 << i)) {
SDI_High();
} else {
SDI_Low();
}
SCK_High();
delay_us(1);
// 读取SDO（转换结果）
if(SDO_Read()) {
result |= (1 << i);
}
SCK_Low();
delay_us(1);
}
// 更新当前配置
current_config = config;
return result & 0x0FFF;
}
// 读取指定通道
uint16_t read_channel(AD7689_Channel_t channel) {
AD7689_Config_t temp_config = current_config;
temp_config.bits.INX = channel;
return conversion_with_config(temp_config);
}
// 将ADC值转换为电压
float adc_to_voltage(uint16_t adc_value) {
return (adc_value * vref) / 4095.0f; // 12位分辨率
}
// 读取电压值
float read_voltage(AD7689_Channel_t channel) {
uint16_t adc_value = read_channel(channel);
return adc_to_voltage(adc_value);
}
// 连续采样（多次采样取平均）
uint16_t continuous_sampling(AD7689_Channel_t channel, uint8_t samples) {
uint32_t sum = 0;
for(uint8_t i = 0; i < samples; i++) {
sum += read_channel(channel);
delay_us(10); // 采样间隔
}
return sum / samples;
}
// 读取温度传感器（内部）
float read_temperature(void) {
// 配置为温度传感器模式
AD7689_Config_t temp_config = current_config;
temp_config.bits.INCC = AD7689_INCC_TEMPERATURE;
temp_config.bits.INX = AD7689_TEMP;
uint16_t adc_value = conversion_with_config(temp_config);
float voltage = adc_to_voltage(adc_value);
// 温度计算（根据AD7689数据手册）
// 典型值：1mV/°C，0V对应0°C
return voltage * 1000.0f; // mV to °C
}
// 获取当前配置
AD7689_Config_t get_current_config(void) {
return current_config;
}
// 设置参考电压
void set_reference_voltage(float reference_voltage) {
vref = reference_voltage;
}
};
3. 基于HAL库的驱动（STM32）
// AD7689 HAL驱动
typedef struct {
SPI_HandleTypeDef *hspi;
GPIO_TypeDef *cnv_port;
uint16_t cnv_pin;
float vref;
AD7689_Config_t config;
} AD7689_HandleTypeDef;
// 使用SPI接口的AD7689驱动
HAL_StatusTypeDef AD7689_Init(AD7689_HandleTypeDef *hadc) {
// 初始化CNV引脚
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = hadc->cnv_pin;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(hadc->cnv_port, &GPIO_InitStruct);
// 初始状态
HAL_GPIO_WritePin(hadc->cnv_port, hadc->cnv_pin, GPIO_PIN_RESET);
// 初始化默认配置
hadc->config.bits.CFG = 0;
hadc->config.bits.INCC = AD7689_INCC_UNIPOLAR_GROUND;
hadc->config.bits.INX = AD7689_CH0;
hadc->config.bits.BW = 0;
hadc->config.bits.REF = AD7689_REF_EXTERNAL;
hadc->config.bits.SEQ = AD7689_SEQ_DISABLE;
hadc->config.bits.RB = 0;
hadc->config.bits.reserved = 0;
return HAL_OK;
}
// 使用SPI进行转换
HAL_StatusTypeDef AD7689_ReadChannel_SPI(AD7689_HandleTypeDef *hadc,
AD7689_Channel_t channel,
uint16_t *adc_value) {
uint8_t tx_data[2] = {0};
uint8_t rx_data[2] = {0};
// 更新通道配置
hadc->config.bits.INX = channel;
// 准备发送数据（配置字）
tx_data[0] = (hadc->config.value >> 8) & 0xFF;
tx_data[1] = hadc->config.value & 0xFF;
// 启动转换
HAL_GPIO_WritePin(hadc->cnv_port, hadc->cnv_pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(1); // 转换时间
// 读取数据（同时写入配置）
HAL_GPIO_WritePin(hadc->cnv_port, hadc->cnv_pin, GPIO_PIN_RESET);
if(HAL_SPI_TransmitReceive(hadc->hspi, tx_data, rx_data, 2, 100) != HAL_OK) {
return HAL_ERROR;
}
// 组合ADC结果
*adc_value = ((rx_data[0] & 0x0F) << 8) | rx_data[1];
return HAL_OK;
}
// 多通道扫描
HAL_StatusTypeDef AD7689_ScanChannels(AD7689_HandleTypeDef *hadc,
uint16_t *results,
uint8_t num_channels) {
if(num_channels > 8) return HAL_ERROR;
for(uint8_t i = 0; i < num_channels; i++) {
if(AD7689_ReadChannel_SPI(hadc, (AD7689_Channel_t)i, &results[i]) != HAL_OK) {
return HAL_ERROR;
}
HAL_Delay(1);
}
return HAL_OK;
}
4. 高级应用功能
// 数据采集系统类
class DataAcquisitionSystem {
private:
AD7689 adc;
uint16_t channel_data[8];
float channel_voltage[8];
uint32_t sample_count;
public:
DataAcquisitionSystem(float vref = 3.3f) : adc(vref) {
sample_count = 0;
memset(channel_data, 0, sizeof(channel_data));
memset(channel_voltage, 0, sizeof(channel_voltage));
}
void init(void) {
adc.init();
printf("Data Acquisition System Initialized\n");
}
// 扫描所有通道
void scan_all_channels(void) {
for(int ch = 0; ch < 8; ch++) {
channel_data[ch] = adc.read_channel((AD7689_Channel_t)ch);
channel_voltage[ch] = adc.adc_to_voltage(channel_data[ch]);
}
sample_count++;
}
// 获取通道数据
uint16_t get_channel_data(uint8_t channel) {
if(channel < 8) {
return channel_data[channel];
}
return 0;
}
float get_channel_voltage(uint8_t channel) {
if(channel < 8) {
return channel_voltage[channel];
}
return 0.0f;
}
// 数据统计
void print_statistics(void) {
printf("=== Data Acquisition Statistics ===\n");
printf("Total Samples: %lu\n", sample_count);
printf("Channel Readings:\n");
for(int ch = 0; ch < 8; ch++) {
printf(" CH%d: 0x%03X (%6.3fV)\n",
ch, channel_data[ch], channel_voltage[ch]);
}
}
// 连续监控模式
void continuous_monitoring(uint32_t duration_ms) {
uint32_t start_time = HAL_GetTick();
uint32_t sample_rate = 0;
printf("Starting continuous monitoring for %lu ms\n", duration_ms);
while((HAL_GetTick() - start_time) < duration_ms) {
scan_all_channels();
sample_rate++;
// 每100个样本显示一次进度
if(sample_rate % 100 == 0) {
printf("Samples: %lu, Time: %lu ms\n",
sample_rate, HAL_GetTick() - start_time);
}
HAL_Delay(1); // 1ms采样间隔
}
printf("Monitoring completed. Total samples: %lu\n", sample_rate);
}
};
5. 应用示例和测试
// 主应用程序
void ad7689_demo(void) {
printf("=== AD7689 12位ADC演示程序 ===\n\n");
// 创建ADC实例
AD7689 adc(3.3f); // 3.3V参考电压
adc.init();
// 创建数据采集系统
DataAcquisitionSystem daq_system(3.3f);
daq_system.init();
// 测试单通道读取
printf("1. 单通道读取测试:\n");
for(int i = 0; i < 5; i++) {
uint16_t value = adc.read_channel(AD7689_CH0);
float voltage = adc.adc_to_voltage(value);
printf(" 采样 %d: 0x%03X = %.3fV\n", i+1, value, voltage);
HAL_Delay(100);
}
// 测试温度传感器
printf("\n2. 温度传感器测试:\n");
float temperature = adc.read_temperature();
printf(" 芯片温度: %.1f°C\n", temperature);
// 多通道扫描测试
printf("\n3. 多通道扫描测试:\n");
daq_system.scan_all_channels();
daq_system.print_statistics();
// 连续监控测试
printf("\n4. 连续监控测试 (5秒):\n");
daq_system.continuous_monitoring(5000);
printf("\n=== 演示程序结束 ===\n");
}
// 实时数据采集任务
void data_acquisition_task(void *argument) {
AD7689_HandleTypeDef hadc;
uint16_t adc_values[8];
// 初始化AD7689
hadc.hspi = &hspi1; // 假设使用SPI1
hadc.cnv_port = AD7689_CNV_PORT;
hadc.cnv_pin = AD7689_CNV_PIN;
hadc.vref = 3.3f;
AD7689_Init(&hadc);
while(1) {
// 扫描所有通道
if(AD7689_ScanChannels(&hadc, adc_values, 8) == HAL_OK) {
// 处理采集到的数据
process_adc_data(adc_values);
}
osDelay(10); // 100Hz采样率
}
}
// 数据处理函数
void process_adc_data(uint16_t *adc_data) {
static uint32_t packet_count = 0;
// 转换为电压值
float voltages[8];
for(int i = 0; i < 8; i++) {
voltages[i] = (adc_data[i] * 3.3f) / 4095.0f;
}
// 每100个数据包打印一次
if(packet_count++ % 100 == 0) {
printf("ADC Data Packet %lu:\n", packet_count);
for(int i = 0; i < 8; i++) {
printf(" CH%d: 0x%03X (%.3fV)\n", i, adc_data[i], voltages[i]);
}
}
// 这里可以添加更多的数据处理逻辑
// 比如：数据滤波、阈值检测、数据存储等
}
6. 性能优化和校准
// 校准和补偿功能
class AD7689_Calibrated : public AD7689 {
private:
float offset_error[8];
float gain_error[8];
bool calibrated;
public:
AD7689_Calibrated(float vref = 3.3f) : AD7689(vref) {
memset(offset_error, 0, sizeof(offset_error));
memset(gain_error, 0, sizeof(gain_error));
calibrated = false;
}
// 执行校准程序
void perform_calibration(void) {
printf("开始ADC校准...\n");
// 假设我们有已知的校准电压源
const float known_voltages[3] = {0.1f, 1.65f, 3.2f};
const int samples_per_point = 100;
for(int ch = 0; ch < 8; ch++) {
printf("校准通道 %d...\n", ch);
float measured[3] = {0};
// 对每个校准点进行测量
for(int point = 0; point < 3; point++) {
uint32_t sum = 0;
// 多次采样取平均
for(int i = 0; i < samples_per_point; i++) {
sum += read_channel((AD7689_Channel_t)ch);
HAL_Delay(1);
}
uint16_t avg_value = sum / samples_per_point;
measured[point] = adc_to_voltage(avg_value);
}
// 计算偏移和增益误差（简化方法）
offset_error[ch] = measured[0] - known_voltages[0];
// 使用中间点计算增益误差
float expected_range = known_voltages[2] - known_voltages[0];
float measured_range = measured[2] - measured[0];
gain_error[ch] = measured_range / expected_range;
printf(" 通道 %d: 偏移=%.4fV, 增益=%.4f\n",
ch, offset_error[ch], gain_error[ch]);
}
calibrated = true;
printf("ADC校准完成\n");
}
// 读取校准后的电压值
float read_calibrated_voltage(AD7689_Channel_t channel) {
float raw_voltage = read_voltage(channel);
if(calibrated && channel < 8) {
// 应用校准补偿
float calibrated_voltage = (raw_voltage - offset_error[channel]) / gain_error[channel];
return calibrated_voltage;
}
return raw_voltage;
}
bool is_calibrated(void) {
return calibrated;
}
};
参考代码 AD7689串行ADC www.youwenfan.com/contentcnj/69350.html
实际应用建议
硬件设计要点
-
电源去耦：
- 在VDD和GND之间放置100nF和10μF电容
- 尽量靠近ADC芯片引脚
-
参考电压：
- 使用低噪声参考电压源
- 参考电压输入端添加适当的滤波
-
布局考虑：
- 模拟和数字部分分开布局
- 保持模拟信号路径短而直接
软件优化建议
-
时序控制：
- 严格遵守数据手册中的时序要求
- 在高速采样时优化延时函数
-
数据处理：
- 使用移动平均滤波减少噪声
- 实现过采样提高有效分辨率
-
错误处理：
- 添加超时检测
- 实现自动重试机制
浙公网安备 33010602011771号