【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】1. ADS1282 驱动的移植与实验

ICS · 发表于2023-11-14 12:04

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作品名称：基于ADS1282的三维地震勘探仪器的设计

>ADS1282 是用于地震监测和能源勘探且具有 PGA 的超高分辨率 4kSPS 2 通道 Δ-Σ ADC，具有32位分辨率、4kHz采样率、130dB动态范围的超高精度ADC。
>
>为什么要移植`ADS1282`驱动到`Arduino`?
>
>Ti 官方提供的示例代码[^1]仅提供了`MSP432`的驱动代码，为了能在本项目的主控——`ESP32-S3`上运行，采用目前流行的嵌入式框架进行移植，Arduino有丰富的软件库和社区支持，可以方便地编写和调试代码，实现对ADS1282模块的控制和通信。

[TOC]

#### 硬件准备

本次实验选用得捷提供的`ESP32-S3- WROOM-1UN8R2 DEV BRD`与自制的`ADS 1282`测试板

#### 移植过程

##### 通讯引脚及其协议

SPI 通信模式为 MODE0，且是 MSBFIRST（参见数据手册 P25）。另外，需要特别注意的是 SPI CLK 频率不能大于 2M，笔者在第一次移植时就忽略了这个问题，导致找不到错误的原因。

![时钟要求](/data/attachment/forum/202311/14/115918pjds05as4b6zkl78.png?rand=9679.346386397001)

其中连接到ESP32-S3- WROOM-1UN8R2 DEV BRD引脚的功能如下（参见数据手册P6）

| NAME| 功能         | 连接到 |
| ----- | ---------------------------- | ------ |
| SCLK| SPI时钟输入      | IO21 |
| DOUT| SPI数据输出      | IO13 |
| DIN | SPI数据输入      | IO12 |
| DRDY| 数据准备就绪输出，低电平有效 | IO14 |
| DONE|          | IO10 |
| RESET | 复位输入，低电平有效   | IO47 |

我们将针脚按照以下的方式进行连接

##### 寄存器及指令

| 指令名| 操作码 | 功能                   |
| :-----: | :------------: | :----------------------------------------------------------- |
| NOP |  0x00  | 无操作，用于产生时钟或填充字节           |
| WAKEUP|  0x00  | 唤醒，用于退出待机模式             |
| STANDBY |  0x03  | 待机，用于进入待机模式             |
|SYNC |  0x05  | 同步，用于同步数据转换             |
|RESET|  0x07  | 复位，用于复位ADS1282              |
| RDATAC|  0x10  | 连续读数据，用于连续读取数据           |
| SDATAC|  0x11  | 停止读数据，用于停止连续读取数据         |
|RDATA|  0x12  | 读数据，用于读取一次数据             |
|RREG | 0x20 &ADDRESS| 读寄存器，用于读取一个或多个寄存器的值，需要指定寄存器的地址和数量 |
|WREG | 0x40 & ADDRESS | 写寄存器，用于写入一个或多个寄存器的值，需要指定寄存器的地址和数量，以及寄存器的值 |
| OFSCAL|  0x60  | 偏移校准                 |
| GANCAL|  0x61  | 增益校准                 |

| 寄存器名 | 地址 | 默认值 |
| :------: | :--: | :----: |
|  ID  | 0x00 |0x00|
| CONFIG0| 0x01 |0x52|
| CONFIG1| 0x02 |0x08|
| HPF0 | 0x03 |0x32|
| HPF1 | 0x04 |0x03|
| OFC0 | 0x05 |0x00|
| OFC1 | 0x06 |0x00|
| OFC2 | 0x07 |0x00|
| FSC0 | 0x08 |0x00|
| FSC1 | 0x09 |0x00|
| FSC2 | 0x0A |0x40|

表 1 来源于数据手册 P32，表 2 来源于数据手册 P35。

为了方便起见，我们需要统一数据收发的接口

```c++
/**
 * @brief 通过SPI发送和接收数据。
 *
 * @param transmitBuffer 包含要发送数据的缓冲区。
 * @param receiveBuffer 用于存储接收数据的缓冲区。
 * @param byteLength 数据的字节长度。
 * @return 如果操作成功，则返回true；否则返回false。
 */
bool spiSendReceive(const uint8_t transmitBuffer[], uint8_t receiveBuffer[], const uint8_t byteLength)
{
  ADS1282_SPI->transferBytes(transmitBuffer, receiveBuffer, byteLength);
  return true;
}
```

那么发送指令就是

```c++
/**
 * @brief 发送命令给设备。
 *
 * @param op_code 要发送的操作码。
 */
void sendCommand(const uint8_t op_code)
{
  uint8_t dataTx[1] = {op_code};
  uint8_t dataRx[1] = {0};

// 发送命令
  spiSendReceive(dataTx, dataRx, 1);
}
```

读写寄存器的代码如下

```c++
uint8_t readSingleRegister(const uint8_t address)
{
  uint8_t dataTx[3];
  uint8_t dataRx[3];

// 指令
  dataTx[0] = OPCODE_RREG | (address | OPCODE_REG_ADDR_MASK);
  dataTx[1] = 0x00;
  spiSendReceive(dataTx, dataRx, 2);

// 读数据
  dataTx[2] = OPCODE_NOP;
  ets_delay_us(DELAY_T_DLY); // 等待数据返回
  spiSendReceive(&dataTx[2], &dataRx[2], 1);

return registerMap[address];
}
/**
 * @brief 使用给定的地址和数据写入单个寄存器。
 * @param address 要写入的寄存器的地址。
 * @param data 要写入寄存器的数据。
 * @note 地址必须在可用寄存器的范围内。
 */
void writeSingleRegister(const uint8_t address, const uint8_t data)
{
  uint8_t dataTx[3];
  uint8_t dataRx[3];

// Send command
  dataTx[0] = OPCODE_WREG | (address & OPCODE_REG_ADDR_MASK);
  dataTx[1] = 0x00;
  spiSendReceive(dataTx, dataRx, 2);

dataTx[2] = data;
  spiSendReceive(&dataTx[2], &dataRx[2], 1);
}    
```

##### 读取采集数据

读取采集的数据很简单，通过以下的代码就能获得采集数据，但由于ADC采集转换需要一定的时间，所以需要使用DRDY引脚来指示数据转换的完成。

```c++
/**
 * @brief 读取数据。
 *
 * @return 读取到的数据。
 */
int32_t readData(void)
{
  uint8_t dataTx[4] = {0};   
  uint8_t dataRx[4] = {0};   
             
  spiSendReceive(dataTx, dataRx, 4); 
}

```

DRDY引脚是一种数据就绪信号，用于指示ADS1282是否有新的数据可供读取。ADS1282在每次完成一次数据转换后，会将DRDY引脚从高电平拉低至低电平，持续一个时钟周期，然后恢复为高电平。（参见数据手册P27）

主机可以通过检测DRDY引脚的状态，来确定是否可以发送读取数据的命令。ADS1282支持两种读取数据的模式，分别是连续读取数据模式（RDATAC）和单次读取数据模式（RDATA）。在连续读取数据模式下，主机只需发送一次RDATAC命令，就可以持续地从ADS1282读取数据，直到发送SDATAC命令或复位ADS1282为止。在单次读取数据模式下，主机每次需要读取数据时，都要发送一次RDATA命令，然后等待DRDY引脚变为低电平，再从ADS1282读取数据。我们可以使用中断来判断DRDY引脚的下拉，然后配合读取数据函数使用。

```c++
/**
 * @brief 等待指定时间内的DRDY中断。
 *
 * @param timeout_ms 超时时间（毫秒）。
 * @return 如果在超时时间内发生DRDY中断，则返回true；否则返回false。
 */
bool waitForDRDYinterrupt(const uint32_t timeout_ms)
{
  if (!readContinuousMode)
  sendCommand(OPCODE_RDATAC);
  // 创建中断
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(ADS1282_DRDY), interruptHandler, FALLING);
  // 等待中断
  unsigned long startTime = millis();
  do
  {
  // DO NOTHING
  } while (millis() - startTime < timeout_ms && !ADCInterruptFlag);
  // 取消中断
  detachInterrupt(ADS1282_DRDY);
  if (ADCInterruptFlag)
  {
  ADCInterruptFlag = false;
  return true;
  }
  else
  {
  return false;
  }
}
```

ADS1282的数据格式为32位的补码，其中最高位为符号位，其余31位为数值位。ADS1282的数据范围为-2^31到2^(31-1)，对应的电压范围为-2.5V到2.5V，即每个LSB（最低有效位）的电压值为2.5V/2^31。转换的公式如下：

> 电压值 = 数据值 * 5V / 2^31

```c++
/**
 * @brief 将原始ADC数据转换为电压值。
 *
 * @param data 要转换的原始ADC数据。
 * @return 从原始数据计算得到的电压值。
 */
float convertToVoltage(int32_t data)
{
 return (data * 5.0) / (0x7fffffff * 1.0f);
}
```

#### 测试

一个简单的测试代码如下

```c++
// ......
#include <ads1282.h>
// ADC引脚
// 时钟引脚
#define ADC_SCL 21
// DOUT 引脚
#define ADC_MISO 13
// DIN 引脚
#define ADC_MOSI 12
// CS 引脚 NOTE: 在 ads1282 上没有这个引脚
#define ADC_CS -1
// DRDY 引脚
#define ADC_DRDY 14
// RESET 引脚
#define ADC_RESET 47
// DONE 引脚
#define ADC_DONE 10

void main(){
  Serial.begin(115200);
  // ......
  ADCStartup(ADC_SCL, ADC_MISO, ADC_MOSI, ADC_CS, ADC_DRDY, ADC_RESET);
  /* ADC 采样率设置为 1000 */
  writeRegisterBitsValue(CONFIG0_ADDRESS, CONFIG0_DR_MASK, CONFIG0_DR_1000SPS); 
  /* ADC 增益设置为 1 */
  writeRegisterBitsValue(CONFIG1_ADDRESS, CONFIG1_PGA_MASK, CONFIG1_PGA_1);
}
void loop(){
  // 等待中断
  if (waitForDRDYinterrupt(10)){
     // 输出数据 
  Serial.print(adc_data);
  }
}
// ......
```

由于没有连接检波器，因此采集到的波形如下

#### 更多

1. [【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】 物料开箱 - DigiKey得捷技术专区 - 电子工程世界-论坛 (eeworld.com.cn)](https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1260793-1-1.html)
2. 【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】1. ADS1282 驱动的移植与实验
3. （未发布）【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】2. 系统功能的基本实现
4. （未发布）【DigiKey“智造万物，快乐不停”创意大赛】3. 打的板子的开箱及展示
5. （未完待续）

#### 源码下载

完整代码分享在：[【DigiKey创意大赛】1. ADS1282 驱动的移植与实验-资料文件](https://download.eeworld.com.cn/detail/ICS/629866)（无需下载分），顺手移植 ADS1282 到 Micropython 上，所以内含 Micropython ADS1282 驱动[^3]。

发现这里也能插入文件：

<ignore_js_op>

<a href="javascript:;" class="loginf">【DigiKey创意大赛】1. ADS1282 驱动的移植与实验.zip</a>

<em class="xg1">(60.35 KB, 下载次数: 2)</em>
</span>
<div class="tip tip_4" id="attach_752994_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="tip_c xs0">
<div class="y">2023-11-14 12:53 上传</div>
点击文件名下载附件
【DigiKey创意大赛】1. ADS1282 驱动的移植与实验-资料文件
</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

#### 参考资料

[^1]: [SBAC300 支持软件 | 德州仪器 TI.com.cn](https://www.ti.com.cn/tool/cn/download/SBAC300)
[^2]: [ADS1282数据手册 英文](https://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1282.pdf)
[^3]: [AntonVanke/MicroPython-Drivers: MicroPython 自用驱动库 (github.com)](https://github.com/AntonVanke/MicroPython-Drivers)

lugl4313820 · 发表于2023-11-14 15:30

大佬这个检测地震的原理的原理是怎么样的呀？摆着就行了吗？

wangerxian · 发表于2023-11-14 19:28

检波器大概是个什么样子的？

ICS · 发表于2023-11-14 20:47

lugl4313820 发表于 2023-11-14 15:30 大佬这个检测地震的原理的原理是怎么样的呀？摆着就行了吗？

这个地震是一个宽泛的概念，自然的板块活动会产生波形，我们平常走路、汽车的行驶、震源车的触发、爆炸都能产生地震波。
我目前在研究三维地震勘探，人为制造地震波在地壳反射，用这检波器接收微弱信号即可分析出地下结构。
你可以参考这个：三维地震勘探_百度百科 (baidu.com)

ICS · 发表于2023-11-14 20:56

wangerxian 发表于 2023-11-14 19:28 检波器大概是个什么样子的？

🤣刚刚还在处理一大堆的检波器，检波器和线圈式麦克风差不多，主要由线圈和磁铁构成。
微弱的震

动会引发线圈产生感应电动势，在adc上就能检测出微弱的电压。

lugl4313820 · 发表于2023-11-15 08:53

大佬这个领域大有前途呀，听说探石油也是用振动来实现的，楼主可以多普及一下这些知识。是不是有点象B超的原理呀？

ICS · 发表于2023-11-15 12:12

lugl4313820 发表于 2023-11-15 08:53 大佬这个领域大有前途呀，听说探石油也是用振动来实现的，楼主可以多普及一下这些知识。是不是有点象B超的 ...

差不多可以这样理解，毕竟地震的震动也是一种波，只是介质不同罢了

chejm · 发表于2023-11-19 07:56

楼主辛苦了，感谢楼主提供的这么好技术分享，顶起来

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