AD9833函數(shù)發(fā)生器的驅動設計與實現(xiàn)

很多時候我們需要輸出某種函數(shù)信號，如方波、三角波、正弦波等，但想要獲得這樣的函數(shù)信號，不論是硬件電路還是軟件實現(xiàn)，卻并不是一件簡單的事情。不過AD9833這類函數(shù)生成芯片可以簡化這方面的操作，這一節(jié)我們就來設計并實現(xiàn)AD9833的驅動。

1 、功能概述

各種類型的檢測、信號激勵和時域反射(TDR)應用都需要波形發(fā)生器。而AD9833就是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出。

1.1 、硬件配置及功能描述

AD9833無需額外的外部元件就能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出。輸出頻率和相位可通過軟件進行編程，調整簡單。AD9833通過一個三線式串行接口寫入數(shù)據(jù)。該串行接口能夠以最高40 MHz的時鐘速率工作，并且與DSP和微控制器標準兼容。該器件采用2.3 V至5.5 V電源供電。

1.2 、內部寄存器

AD9833包含一個16位控制寄存器，讓用戶可以配置AD9833的操作。mode位之外的所有控制位均在MCLK的內部下降沿采樣。

控制寄存器各位的含義如下：

AD9833包含兩個頻率寄存器和兩個相位寄存器，頻率寄存器為28位：時鐘速率為25 MHz時，可以實現(xiàn)0.1 Hz的分辨率；而時鐘速率為1 MHz時，則可以實現(xiàn)0.004 Hz的分辨率。

每次寫數(shù)據(jù)時，都是從寫控制寄存器器開始，每次寫的16為數(shù)據(jù)的高兩位用以決定所寫的寄存器。

如上圖所示，寫不同寄存器時高兩位需根據(jù)寄存器的不同設定不同的值。

2 、驅動設計與實現(xiàn)

我們已經(jīng)了解了AD9833的基本情況。接下來我們就據(jù)此實現(xiàn)AD9833波形發(fā)生器驅動的設計及實現(xiàn)。

2.1 、對象定義

AD9833波形發(fā)生器的驅動依然采用基于對象的操作，所以我們需要先得到AD9833波形發(fā)生器的對象。

2.1.1 、抽象對象類型

一個對象最起碼包含屬性和操作兩方面內容，我們先來分析一下AD9833波形發(fā)生器對象需要包含哪些屬性和操作。

對于AD9833波形發(fā)生器來說，控制寄存器的狀態(tài)決定了下一步的操作，所以我們將控制寄存器的狀態(tài)抽象為對象的屬性，以便隨時掌握操作的目標。此外，作為函數(shù)發(fā)生器，輸出的信號具有周期性，在輸出頻率固定的情況下，計算有一個常數(shù)，我們將其作為屬性已確認輸出型號的頻率。

進而我們考慮AD9833波形發(fā)生器對象的操作。首先我們要操作AD9833波形發(fā)生器則需要向其傳送數(shù)據(jù)，所以我們將向AD9833波形發(fā)生器寫數(shù)據(jù)作為對象的一個操作。AD9833波形發(fā)生器采用SPI通訊接口，有時需要在軟件中對片選信號進行操作，所以我們將片選型號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，而在不同的平臺中采取的延時方式不盡相同，為了操作方便我們將延時操作作為對象的一個操作。

據(jù)以上的分析我們可以抽象AD9833波形發(fā)生器的對象類型如下：

1 /* 定義AD9833對象類型 */
2 typedef struct Ad9833Object{
3        uint16_t ctlRegister;                //控制寄存器
4        float freqConstant;                          //頻率計算常數(shù)
5        void (*WriteData)(uint8_t *tData，uint16_t tSize);        //向DAC發(fā)送數(shù)據(jù)        void (*ChipSelcet)(AD9833CSType en);     //片選信號
7        void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime);       //ms延時操作指針
8 }Ad9833ObjectType;

2.1.2 、對象初始化

我們雖然得到了AD9833的對象，但對象不能直接使用，我們需要對其進行初始化方能使用。所以接下來我們考慮AD9833波形發(fā)生器對象的初始化函數(shù)。

初始化函數(shù)至少包含有2方面內容：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。特別是一些操作指針錯誤的話可能產(chǎn)生嚴重的后果?；谶@一原則，我們設計AD9833波形發(fā)生器的對象初始化函數(shù)如下：

1 /* 初始化AD9833對象 */
 2 void AD9833Initialization(Ad9833ObjectType *dev，
 3                                            float mclk，
 4                                            AD9833WriteData write，
 5                                            AD9833ChipSelcet cs，
 6                                            AD9833Delayms delayms)
 7 {
 8        if((dev==NULL)||(write==NULL)||(delayms==NULL))
 9        {
10               return;
11        }
12       
13        dev->ctlRegister=0x0000;
14       
15        if(mclk>0)
16        {
17               dev->freqConstant=268.435456/mclk;
18        }
19        else
20        {
21               dev->freqConstant=10.73741824; //默認是25M
22        }
23  
24        dev->WriteData=write;
25        dev->Delayms=delayms;
26       
27        if(cs!=NULL)
28        {
29               dev->ChipSelcet=cs;
30        }
31        else
32        {
33               dev->ChipSelcet=DefaultChipSelcet;
34        }
35 }

2.2 、對象操作

我們已知AD9833波形發(fā)生器包含3類寄存器：控制寄存器、頻率寄存器和相位寄存器。接下來我們就實現(xiàn)對這三個寄存器的操作。

2.2.1 、操作控制寄存器

AD9833波形發(fā)生器有一個16位的控制寄存用于配置各種操作。其中DB13(B28)、DB12(HLB)、DB11(FSELECT)、DB10(PSELECT)、DB8(RESET)、DB7(SLEEP1)、DB6(SLEEP12)、DB5(OPBITEN)、DB3(DIV2)、DB1(MODE)等位是可以操作的。與頻率寄存器和相位寄存器相關的配置我們在后續(xù)說明，這里先看看復位、休眠及輸出模式的配置。

AD9833上電時，器件應復位。要使AD9833復位， 應將DB8(RESET)位置1。要使器件退出復位，應將該位清0。在reset 置0后的8個MCLK周期內，DAC輸出端會出現(xiàn)信號。復位功能可使相應的內部寄存器復位至0，以提供中間電平的模擬輸出。復位操作不會使相位、頻率或控制寄存器復位。

1 /* 復位AD9833對象 */
 2 void ResetAD9833Object(Ad9833ObjectType *dev)
 3 {
 4        uint16_t regValue=dev->ctlRegister;
 5       
 6        regValue|=AD9833_CTRLRESET;
 7        SendToAD9833(dev，regValue);
 8       
 9        dev->Delayms(1);
10       
11        regValue&=(~AD9833_CTRLRESET);
12        SendToAD9833(dev，regValue);
13       
14        dev->ctlRegister=regValue;
15 }

SLEEP功能可關斷AD9833中不使用的部分，以將功耗降至最低。可關斷的芯片部分是內部時鐘和DAC。休眠功能需要操作DB7(SLEEP1)和DB6(SLEEP12)位。具體配置如下：

1 /* 設置AD9833休眠狀態(tài) */
 2 void SetAD9833SleepMode(Ad9833ObjectType *dev，Ad9833SleepMode mode)
 3 {
 4        uint16_t regValue=dev->ctlRegister;
 5  
 6        regValue&=(~(AD9833_CTRLSLEEP1|AD9833_CTRLSLEEP12));
 7       
 8        switch(mode)
 9        {
10               case DACTurnOff:
11               {
12                      regValue|=AD9833_CTRLSLEEP12;
13                      break;
14               }
15               case MCLKTurnOff:
16               {
17                      regValue|=AD9833_CTRLSLEEP1;
18                      break;
19               }
20               case DACMCLKTurnOff:
21               {
22                      regValue|=(AD9833_CTRLSLEEP1|AD9833_CTRLSLEEP12);
23                      break;
24               }
25               default:
26               {
27                      break;
28               }
29        }
30        SendToAD9833(dev，regValue);
31       
32        dev->ctlRegister=regValue;
33 }

AD9833可從芯片提供各種輸出，所有這些輸出均通過VOUT引腳提供。輸出選項包括DAC數(shù)據(jù)的MSB、正弦波 輸出或三角波輸出。控制寄存器的DB5(OPBITEN)、DB3(DIV2)和DB1(MODE)決定 AD9833將提供的輸出。具體如下：

1 /* 設置AD9833的輸出模式 */
 2 void SetAD9833OutputMode(Ad9833ObjectType *dev，Ad9833OutMode mode)
 3 {
 4        uint16_t regValue=dev->ctlRegister;
 5       
 6        regValue&=(~(AD9833_CTRLOPBITEN|AD9833_CTRLDIV2|AD9833_CTRLMODE));
 7       
 8        switch(mode)
 9        {
10               case triangular:
11               {
12                      regValue|=AD9833_CTRLMODE;
13                      break;
14               }
15               case square_msb_2:
16               {
17                      regValue|=AD9833_CTRLOPBITEN;
18                      break;
19               }
20               case square_msb:
21               {
22                      regValue|=(AD9833_CTRLOPBITEN|AD9833_CTRLDIV2);
23                      break;
24               }
25               default:
26               {
27                      break;
28               }
29        }
30  
31        SendToAD9833(dev，regValue);
32       
33        dev->ctlRegister=regValue;
34 }

2.2.2 、操作頻率寄存器

寫頻率寄存器時，Bit D15和Bit D14設置為01或10?？刂萍拇鍰B13(B28)和DB12(HLB)位決定操作的頻率寄存器。如果希望更改某個頻率寄存器的全部內容，則必須向 同一地址執(zhí)行兩次連續(xù)寫入，因為頻率寄存器是28位寬。 第一次寫入包含14個LSB，第二次寫入則包含14個MSB。 對于此工作模式，B28(D13)控制位應置1。在某些應用中，用戶無需更新頻率寄存器的全部28個位。 在粗調情況下，只需更新14個MSB，而在精調情況下，則只需更新14個LSB。通過將B28 (D13)控制位清0時，28位頻率寄存器用作兩個14位寄存器，其中一個包含14個MSB，另一個則包含14個LSB。這意味著，可單獨更新頻率字的 14個MSB而不影響14個LSB，反之亦然?？刂萍拇嫫髦械?Bit HLB (D12)確定要更新的具體14個位。數(shù)據(jù)結構如下：

1 /* 設置頻率寄存器的值 */
 2 void SetAD9833FreqRegister(Ad9833ObjectType *dev，WriteAd9833FreqReg reg，uint32_t freqValue)
 3 {
 4        uint16_t msbFreq，lsbFreq;
 5        uint32_t freqReg;
 6       
 7        freqReg =(uint32_t)(dev->freqConstant*freqValue);
 8        lsbFreq = (freqReg & 0x0003FFF);
 9        msbFreq = ((freqReg & 0xFFFC000) >> 14);
10       
11        ConfigFreqRegisterStyle(dev，reg);
12       
13        switch(reg)
14        {
15               case FREQ0_B28:
16               {
17                      lsbFreq |=FREQ0_Address;
18                      SendToAD9833(dev，lsbFreq);
19                      msbFreq |=FREQ0_Address;
20                      SendToAD9833(dev，msbFreq);
21                      break;
22               }
23               case FREQ0_B14_LSB:
24               {
25                      lsbFreq |=FREQ0_Address;
26                      SendToAD9833(dev，lsbFreq);
27                      break;
28               }
29               case FREQ0_B14_MSB:
30               {
31                      msbFreq |=FREQ0_Address;
32                      SendToAD9833(dev，msbFreq);
33                      break;
34               }
35               case FREQ1_B28:
36               {
37                      lsbFreq |=FREQ1_Address;
38                      SendToAD9833(dev，lsbFreq);
39                      msbFreq |=FREQ1_Address;
40                      SendToAD9833(dev，msbFreq);
41                      break;
42               }
43               case FREQ1_B14_LSB:
44               {
45                      lsbFreq |=FREQ1_Address;
46                      SendToAD9833(dev，lsbFreq);
47                      break;
48               }
49               case FREQ1_B14_MSB:
50               {
51                      msbFreq |=FREQ1_Address;
52                      SendToAD9833(dev，msbFreq);
53                      break;
54               }
55               default:
56               {
57                      break;
58               }
59        }
60 }

2.2.3 、操作相位寄存器

寫入相位寄存器時，Bit D15和Bit D14設置為11。Bit D13確定將載入的相位寄存器。具體結構如下：

1 /* 設置相位寄存器的值 */
 2 void SetAD9833PhaseRegister(Ad9833ObjectType *dev，Ad9833PhaseReg reg，float phaseValue)
 3 {
 4        uint16_t phaseReg=0;
 5        float phaseConstant=651.8986469;
 6       
 7        phaseReg=(uint16_t)(phaseValue*phaseConstant);
 8        phaseReg&=0x0FFF;
 9       
10        if(reg==PHASE0)
11        {
12               phaseReg|=PHASE0_Address;
13        }
14        else
15        {
16               phaseReg|=PHASE1_Address;
17        }
18       
19        SendToAD9833(dev，phaseReg);
20 }

3 、驅動的使用

我們已經(jīng)設計并實現(xiàn)了AD9833波形發(fā)生器的驅動，接下來我們考慮如何使用這一驅動程序實現(xiàn)AD9833波形發(fā)生器的應用。

3.1 、聲明并初始化對象

驅動是基于對象的操作設計的，所以我們先要使用Ad9833ObjectType聲明對象變量。形如：

Ad9833ObjectType ad9833;

聲明了這個對象變量并不能用于操作AD9833波形發(fā)生器，我們還需要使用初始化函數(shù)對對象變量進行初始化。初始換函數(shù)所需參數(shù)如下：

Ad9833ObjectType *dev，所要初始化的AD9833對象設備

float mclk，AD9833采用的數(shù)字時鐘，默認為25M

AD9833WriteData write，寫AD9833對象函數(shù)

AD9833ChipSelcet cs，AD9833片選信號操作函數(shù)

AD9833Delayms delayms，操作ms延時函數(shù)

對于這些參數(shù)，對象變量我們已經(jīng)定義了。AD9833采用的數(shù)字時鐘則根據(jù)我們的實際使用情況輸入。主要的是我們需要定義幾個函數(shù)，并將函數(shù)指針作為參數(shù)。這幾個函數(shù)的類型如下：

1 /* 定義AD9833寫數(shù)據(jù)指針類型 */
2 typedef void (*AD9833WriteData)(uint8_t *tData，uint16_t tSize);
3 
4 /* 定義AD9833片選操作指針類型 */
5 typedef void (*AD9833ChipSelcet)(AD9833CSType en);
6 
7 /* 定義AD9833 ms延時操作指針類型 */
8 typedef void (*AD9833Delayms)(volatile uint32_t nTime);

對于這幾個函數(shù)我們根據(jù)樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬件平臺有關系。片選操作函數(shù)用于多設備需要軟件操作時，如采用硬件片選可以傳入NULL即可。具體函數(shù)定義如下：

1 /*定義片選信號函數(shù)*/
 2 void AD9833CS(AD9833CSType en)
 3 {
 4        if(AD9833CS_ENABLE==en)
 5        {
 6               HAL_GPIO_WritePin(GPIOF， GPIO_PIN_4， GPIO_PIN_RESET);
 7        }
 8        else
 9        {
10               HAL_GPIO_WritePin(GPIOF， GPIO_PIN_4， GPIO_PIN_SET);
11        }
12 }
13  
14 /*定義發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)*/
15 void AD9833TransmitData(uint8_t *wData，uint16_t wSize)
16 {
17        HAL_SPI_Transmit (&ad9833hspi， wData， wSize， 1000);
18 }

對于延時函數(shù)我們可以采用各種方法實現(xiàn)。我們采用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數(shù)。于是我們可以調用初始化函數(shù)如下：

AD9833Initialization(&ad9833，25.0，AD9833TransmitData，AD9833CS，HAL_Delay);

3.2 、基于對象進行操作

接下來我們將操作對象生成我們想要的波形。如我們想要生成頻率為10MHz，相位為0的正弦波，編碼如下：

1 /* 生成波形 */
 2 void SignalGenerator(void)
 3 {
 4        SetAD9833FreqRegister(&ad9833，F(xiàn)REQ0_B28，10000000);
 5        SetAD9833PhaseRegister(&ad9833，PHASE0，0.0);
 6       
 7        SelectAD9833FregRegister(&ad9833，F(xiàn)REQ0);
 8        SelectAD9833PhaseRegister(&ad9833，PHASE0);
 9       
10        SetAD9833OutputMode(&ad9833，sinusoid);
11 }

在這段程序中我們使用的是頻率寄存器0和相位寄存器0，并且頻率寄存器采用的是修改28位的形式。對于其他的操作方式我們我們可以作相應的更改。

4 、應用總結

我們已經(jīng)實現(xiàn)AD9833波形發(fā)生器的驅動及基于此驅動的應用。我們輸出正弦波，三角波及方波均得到了與我們預期一致的結果，說明驅動的設計是符合需求的。

控制寄存器的DB11(FSELECT)和DB10(PSELECT)位決定所使用的頻率寄存器和相位寄存器，默認是FREQ0寄存器和PHASE0寄存器。若需要修改則可以調用SelectAD9833FregRegister和SelectAD9833PhaseRegister函數(shù)進行配置。

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。如果片選信號是通過硬件電路來實現(xiàn)的，我們在初始化時給其傳遞NULL值。如果是軟件操作片選則傳遞我們編寫的片選操作函數(shù)。

完整的源代碼可在GitHub下載：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver