FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）-Toy模板网

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最近在做一个项目，需要使用到高精度的ADC采集，由于项目对采集速率并没有太高的要求，所以就将成本尽可能地花在采样精度上，最后选择了TI的ADS1256这款比较热门的24位高精度AD芯片，调完后来写篇文章记录一下。

手册分析

老规矩，在介绍如何用FPGA控制其进行AD转换之前先来聊聊它的数据手册。
（1）框图以及引脚介绍
FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）
如上所示为ADS1256的整体框图，从左到右为整片的测量顺序，模拟输入经过选择器后到Buffer，然后是PGA，再是模数转换单元，最后是通信和时钟接口，一目了然，下面介绍一下该芯片的引脚。

（左图为ADS1255，使用方式和ADS1256一摸一样，只是片内资源少了许多，改一下寄存器配置即可，如若不需要太多的测量通道的话可以使用，节省成本。）
FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）
对于上述的引脚说明：

电源部分不再多说，区分好数字地和模拟地即可。再是参考电压的选择，本人选择的是VrefP接2.5V，N端接模拟地，即设置参考电压为2.5V。
随后是9个模拟输入口，一般来说AINCOM端口直接接到AGND上去，作为单端输入使用的N端口（这个后面细说）。其他模拟输入口则悬空处理，等待模拟量输入。
然后介绍SYNC/PDWN引脚，该引脚用来同步，从本文将要介绍的测量方式来说，当我们开始测量的时候选择拉低这个引脚一段时间进行同步（具体多久手册上有说明，实际上是一个很宽的范围），当同步结束后即可读取测量的数据，同步的方式也可以通过SPI发送指令开始同步，这样第一节省资源，第二简单方便，所以本设计不采用引脚同步，将其接到高电平，选择指令同步方式。
DRDY接口，一个很重要的接口，ADS1256内部转换有相当多的时序，如果靠用户一一去计数进行操作会相当麻烦，而且无法保证数据准确，DRDY接口表示当前数据可读，也就是说每当我们进行测量操作后，只有当DRDY引脚拉低后才能进行数据读取，此外，当我们对芯片进行复位、初始化后也需要等待DRDY引脚拉低，表明复位或者初始化完成，之后才能进一步通信，进行测量。
最后就是四个SPI接口了，相信大家都很熟悉，MISO即DOUT，ADS1256传数据给FPGA的端口；MOSI即DIN，FPGA传数据给ADS1256的端口，CS选通，SCK时钟信号。

（2）通信时序
FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）

ADS1256的SPI通信和大多数的SPI芯片一样，CS选中之后即可开始通信，下降沿的时候发送和接收数据（所以对于FPGA而言，下降沿的时候把数据读进，但是在发送数据的时候上升沿将数据准备好，那么下降沿的时候发送出去即可，这个应该好理解）需要注意的是通信的时序，这边挑几个重要的进行讲解：

首先就是t1，SCK的周期，从上图中我们可以看出SCK时钟周期既有上限也有下限，所以需要挑一个合适的中间值。由上可见，tCLKIN为输入时钟源的周期，时钟源为一个7.68MHz的石英晶振，所以一个周期大约为0.13us，tDATA表示设定的采样速率，预计的采样速率为1000Hz，所以采样周期为1ms，这样一来我们所设置的SCK周期只需要在4 × 0.13 = 0.52us到10 × 1ms = 10ms之间即可。我们选择10us的SCK周期，即5us高电平，5us低电平即可。
第二讲一下t6，它表示你给如一个读操作的指令，到数据输出的一个间隔，可以理解为读指令和数据输出的一个等待间隔，最小为50 × 0.13 = 6.5us，所以这里我们设定为20us。
第三讲一下t3和t10，表示CS变化到SCK变化的时间间隔，这里我们也设置为5us。
第四，相当重要的一个时间段，t11，表示当前指令结束到下一个指令开始的时间间隔。从上图中我们看出不同的指令所需要的时间周期也不同。我们在实操的过程中必须严格按照手册中所述的时间间隔进行操作，否则大概率是得不到正确结果的（血的教训，本人调了好久这块芯片，一开始由于度手册不仔细数据一直出错，后来还是得认认真真细读手册，最后才出结果）。
最后提醒一下，上表中没有提到两个CS周期之间CS需要拉高的时间间隔，但是我们在操作的过程中最好留一下，所以我在每一个指令输出的过程中都给了CS一个5us的拉高时间，之后才拉低进入通信，这个在后面看我代码的时候注意一下即可。

好了，讲了这么多，大家一定也发现了，上面介绍的5us也好，20us也罢，都是5us的倍数，所以我们只需要在程序中定义一个5us的计数器，再对结果进行计数即可得到对应的延时时间。

（3）通道选择
FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）
由上图可见我们可以选择任意两个通道作为P、N段的输入，实际上ADS1256在工作的时候就是测量的AINP-AINN的电压，如果你的硬件条件只需要单端测量，后面对于寄存器的配置时将N段配置为AINCOM（接地）即可。
（4）其他特殊功能
ADS1256的功能相当强大，如果从头到尾全部讲完第一篇幅太长不合适，第二大部分都用不到浪费大家时间，所以一下只列出重要的几个讲解。

开启Buffer，ADS1256可以配置为高输入阻抗的状态，通过开启Buffer将会呈现出一个约80M的输入阻抗，但同样是有代价的，开启后所能测量的电压范围将会变小，具体测量上限约为AVDD-2.0V。本次设计中未开启。
PGA设置，即内部增益放大器。如若你所测量的信号幅值很小，可以开启PGA对你所测的电压进行放大，当然，放大后的电压不可超过上限 2 × Vref，放大倍数可控。

好啦，就讲这么多，如果你需要更多的功能实现，详情可以阅读手册，或者评论区和我交流。下面介绍本文的重头戏，测量时序。

（3）测量时序
首先在介绍时序之前我想先来说一下ADS1256的测量模式，根据手册上说，总共有四种测量模式，而本次设计则选用最常用的一种测量方式“Using the Input Multiplexer”来进行AD转换。测量时序如下所示：
FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）
由上图可见当DRDY拉低表示数据可读之后，主控向其连续发送四个指令后即可读出数据，很简单的操作流程，但是大家需要注意的是每一个指令都有属于自己的周期，指令和指令之间不是连续发送的，每当一个指令周期结束后，需要拉高CS结束一个指令周期，然后再拉低开启下一个指令周期，本设计中我给的每一个CS高电平间隔为5us，以保证满足上述t11的要求。此外，当最后一个RDATA指令发出后，到数据读出还有一个时间间隔t6，这也是我们所需要考虑的，本设计中给定为20us。

（4）数据格式
FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）
上图给出了对应电压的数据格式，当你的输入超过上限呈现为7FFFFFh，0V呈现为000000h，负的电压一样，不过采取补码的方式存储。

（5）校准
每一次测量之前都建议大家对ADS1256进行校准，本设计在上电后进行一次复位，一次初始化，一次校准，之后开始一直测量。而复位后、初始化后、校准后都需要等待DRDY信号拉低表示完毕，测量也是等待DRDY拉低表明数据可读。

（6）寄存器介绍
FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）
寄存器只需要掌握前面四个即可，IO寄存器控制D0-D3端口，没用到，后两个存储对应的滤波分频数，可以尝试的去读一下，更多功能本人也没深究过。

STATUS寄存器

高四位固定，第四位设置数据为MSB还是LSB，上电后默认为MSB这个我们不需要去更改；ACAL表示是否开启子校准，开启后每次更改PGA倍数、采样率和BUFFER是否开启后都会进行一次自动校准；BUFEN选择是否开启Buffer，DRDY只读，状态和DRDY引脚一致。
MUX寄存器

高四位控制AINP的端口，低四位控制AINN的端口输入，最终测的电压就是AINP-AINN。
AD CON寄存器

低三位表示控制的PGA倍数（放大倍数），第七位只读，剩下四位控制时钟输出以及电流检测，我们没用到，保持默认即可。
DRATE寄存器

采样速率设定，这个不用多介绍，本设计设置为10100001，每秒1000次。（可见该芯片最高也只能到30k）

（7）指令表
FPGA控制ADS1256的ADC采集（一）
同样的我们也只需要使用到上述指令（SELFCAL别看错了，不是SYSGAL指令）。下面来一一介绍

RDATA: Read Data

读指令的操作很简单，注意指令下达完毕后等待t6的时间间隔即可。MSB在前。
RREG: Read from Registers

读寄存器指令分为两个字节，第一个字节高四位表示指令，第四位表示读的地址，第二个字节表示从该地址开始读几个寄存器的数据的个数 -1 （eg：只读一个，那么这个值就设置为0x00即可），地址自动递增。
WREG: Write to Register
写寄存器和读寄存器一样，也是两个字节，操作方式一摸一样，第一个字节指令加地址，第二个字节为长度-1，地址递增。
SELFCAL: Self Offset and Gain Calibration
这个指令用来进行校准。
SYNC: Synchronize the A/D Conversion + WAKEUP: Complete Synchronization or Exit Standby Mode
这两个指令要一起用（当然是在不同的指令周期），SYNC之后下一个指令周期要跟一个WAKEUP指令，用来进行同步操作。
RESET
这个指令我没用到，因为本设计直接采用RESET引脚来复位，圈出来只是告诉大家有时用到复位的操作，以及注意一下复位的时长为5us。