硬件编程-----根据时序图写C语言驱动

偏执的太偏执、 2022-10-29 10:24 203阅读 0赞

最近要用52单片机读取PT100温度探头和K型热电偶的温度，在设计并焊接完硬件电路之后，发现用C语言读取具体的温度是个麻烦事。具体来说就是不知道怎么用C语言根据芯片的时序图编写驱动，所以也就不知道怎么读取AD芯片和Max6675芯片的数据。要完成这个工作，实际上要做一件横跨硬件电路设计、制作、驱动编写、纯C软件编写的工程，更进一步的话还需要涉及到PCB板的设计，对于我这个硬件新手来说有不小的难度。在完成这些工作之后 (没有设计PCB板)，我特意写这篇文章，用来描述根据时序图写C语言驱动的流程，作为对这份工作的纪念，也希望能为后来者提供一点帮助。

对于PT100温度探头，我采用桥式电路检测探头的电阻，电阻信息被转化成电压信号，并用OP07运算放大器对电压信号进行放大。OP07的输出电压用ADS7822芯片进行模数转换。由于本文只涉及C语言驱动的编写，所以这里不贴具体的电路图了。下面是ADS7822工作的时序图：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70]其中CS是片选，当CS从1跳变为0时，ADS7822开始工作。  
DCLOCK是时钟，默认有可能是0或1。  
Dout是ADS7822的输出结果。

初始化：  
由于在CS=0之后，DCLOCK从0跳变到1就意味着开始计数了。所以一定要在CS设置为0之前先把DCLOCK设置为0。这一点从下表中Tcsd的描述：CS falling to DCLOCK low也可以看出来。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
下面三行是ADS7822的初始化

//ad_cs = 1; //驱动代码最后就是ad_cs = 1，所以这里可以省略这个语句
    ad_dclock = 0;
    //时序图上ad_dout=1，但实际上ad_dout是硬件自己决定变化的，而不是用C语言决定的
    //ad_dout = 1;

开始工作：  
CS = 0表示ADS7822开始工作。  
之后DCLOCK经历2次脉冲 (从低电平跳转到高电平，并保持到高电平结束)，这期间Dout保持高电平。  
DCLOCK经历1次脉冲，Dout输出一个无效位。  
用代码表示：

ad_cs = 0;//启动AD转换
    ad_dclock = 1; 
    ad_dclock = 0;
    ad_dclock = 1; 
    ad_dclock = 0;
    ad_dclock = 1;

DCLOCK从高电平变成低电平，完成这个语句后，Dout正处于一个稳定的有效数据位，单片机可以读取数据。DCLOCK从低电平变成高电平时，Dout的有效数据结束，即将输出下一个数据。用代码表示：

ad_dclock = 0;
    j = (uint)(ad_dout); //读取数据
    ad_dclock = 1;

这个过程一共要进行12个循环，输出12位有效数据。这里有一个问题：最先输出的一位数据是最高位还是最低位？关于这个问题，需要参考我的前一篇文章：[查找算法：逐次逼近][Link 1]。根据这篇文章，我们可以知道，第一个输出的数据能表示2048，第二个输出数据表示1024，第三个输出数据表示512…，最后一个输出数据表示1。由此，我们可以知道最先输出的一位数据是最高位。因此，每循环一次，原有数据就要左移一位。所以这12轮的循环用C语言可以表示为：

result = 0;
    for(i = 0; i <= 11; i++) //读取采样数据
    {
        
    	//时钟低电平的时候，dout处于稳定的状态，这个时候可以读取dout
    	ad_dclock = 0; 	
    	j = (uint)(ad_dout); //读取数据，并转化成uint类型
    	result = result << 1; //原有数据左移一位
    	result = result | j; //数据移位后与前面数据相或
    	ad_dclock = 1; //时钟高电平。准备输出下一位数据
    }

结束工作：  
CS拉回高电平，恢复初始状态。即：

ad_cs = 1;

返回值：  
得到的数据一共有2^12= 4096种可能。如果ADS7822的参考电压为2.5V，则每一份表示2.5/4096V。假设二进制结果为1111101000，换成十进制为1000，就表示1000 \* 2.5 / 4096 = 0.6104V。

所以读取ADS7822的总体代码为：

uint readADS7822()
    {
        
    	uint result, j;
    	
    	//初始化
    	//ad_cs = 1; //驱动代码最后就是ad_cs = 1，所以这里可以省略这个语句
    	ad_dclock = 1;
    	//时序图上ad_dout=1，但实际上ad_dout是硬件自己决定变化的，
    	//ad_dout = 1; 
    	
    	ad_cs = 0;//启动AD转换
    	ad_dclock = 1; 
    	ad_dclock = 0;
    	ad_dclock = 1; 
    	ad_dclock = 0;
    	ad_dclock = 1;
    
    	//工作状态
    	result = 0;
    	for(i = 0; i <= 11; i++) //读取采样数据
    	{
        
    		//时钟低电平的时候，dout处于稳定的状态，这个时候可以读取dout
    		ad_dclock = 0; 	
    		j = (uint)(ad_dout); //读取数据，并转化成uint类型
    		result = result << 1; //原有数据左移一位
    		result = result | j; //数据移位后与前面数据相或
    		ad_dclock = 1; //时钟高电平。准备输出下一位数据
    	}
    	
    	//结束工作：
    	ad_cs = 1; 
    	return result; //返回值，每一份表示2.5/4096V。
    }

上述代码虽然能实现读取ADS7822的功能，但是代码比较凌乱。我们需要一个比较好的逻辑：依次进行初始化、完整的读取数据、结束读取、处理数据、返回等5个部分。而不是直接忽略掉部分无效数字，另外我们再删掉一些重复的代码，就可以得到最终的驱动程序。

//这是ADS7822的C语言驱动程序
    unsigned int read_ADS7822()
    {
        
    	int i;//定义数据读取次数的变量
    	uint j;//定义采样数据暂存单元
    	uint result; //定义采样数据储存单元，16位数据
    
    	//初始化
    	ad_dclock = 1;
    
    	//开始采集数据
    	ad_dclock = 0; //ad_dclock在CS之前设置为低电平
    	ad_cs = 0; //启动AD转换	
    
    	for(i = 0; i < 15; i++) //读取采样数据，一共15个循环
    	{
        
    		ad_dclock = 0; //送读取脉冲		
    		j = (uint)(ad_dout); //读取数据
    		result = result << 1;	 //总数据移位
    		result = result | j; //总数据移位后与前面数据相或	
    		ad_dclock = 1;
    	}
    
        //读取数据完毕，恢复初始化工作
    	ad_cs = 1; //一次采样完成，片选设置为高电平	
    	
    	//处理数据
    	//16位的数据，最高位为0，接着三位没有意义，剩下12位是有效数字
    	//所以要用下面两行代码除去最高的4位数据。
    	result = result << 4; 
    	result = result >> 4;
    	return result; //返回采样值，result个2.5/4096V
    }

通过ADS7822读取到放大运算器的输出电压后，我们就可以用电压值推算出PT100的电阻值。接着根据电阻值去查表，就可以得到当前的温度了 (当然，这个过程也是软件完成的)。将这个温度与煤油温度计进行对比，发现精度较高，误差 < 1℃。

![在这里插入图片描述][20210212194138319.png]

第二个例子是用K型热电偶测温。  
我买的K型热电偶测温用MAX6675芯片驱动，MAX6675芯片通过5根线与单片机连接。MAX6675芯片已经帮我们进行了温度补偿，所以，我们可以读取MAX6675芯片获得温度值。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

MAX6675芯片的时序图如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
说明：  
CS是片选，CS从1跳变为0表示MAX6675芯片开始工作。  
SCK表示时钟  
SO输出数据。

初始化：  
由于CS从1跳变为0表示MAX6675芯片开始工作，所以在这之前，要把SCK设置为0。代码为：

SCK = 0;//由于最后需要把SCK设置为低电平，所以这个语句可以不要。

工作状态：  
CS从1跳变为0表示MAX6675芯片开始工作。  
SCK变成高电平时，SO处于有效数字，这时可以用单片机读取数据。读取完之后，SCK设置为0，完成一个时钟脉冲。代码如下：

SCK = 1;
    j = SO;
    SCK=0;

MAX6675芯片一共要输出16位数据，也就是要循环16次。代码如下：

for(i = 0; i < 16; i++)  
    {
              
    	SCK = 1;  //SCK为高电平时，输出一位数据   
    	dat = dat<<1;  //读取一位数据，默认读到的是0
    	if( SO==1 )   
    		dat = dat|0x01;   //如果SO是高电平，则把读取到的一位数据设置为1
    	SCK = 0;  //得到一位数据后重新把SCK拉低  
    }

MAX6675芯片的输出的16位数据中，D15是无效位；D2=1表示K型热电偶不在线，D1是MAX6675芯片的标识位，D0是无效位。所以，只有D14~D3这12位是有效数据。根据这些信息，我们继续对得到的信息进行处理：  
1、去除dat的最高位：

dat = dat << 1; 
    dat = dat >> 1;

其中16位的数据左移一位后，得到的仍旧是16位数据，只不过最高位溢出 (丢失)。  
2、去除dat的最低三位:

dat = dat >> 3;

数据右移三位，得到的仍旧是16位数据，只不过最低三位溢出 (丢失)。

合并这三条代码：

dat = dat << 1; 
    dat = dat >> 4;

最后工作：  
SCK设置为低电平，其实这里没有必要。  
CS设置为高电平。  
代码为：

CS = 1;

总的代码为：

unsigned int MAX6675_ReadReg(void)
    {
         
    	unsigned char i;  //循环变量 
    	unsigned int dat; //16位的正数据，存放从Max6675中得到的数据 
    	
    	CS  = 0;  //片选，低电平有效。Max6675开始工作
    	SCK = 0;  //开始检测温度
    
    	//时序图上要操作16次，但只有12位有效数据
    	for(i = 0; i < 16; i++)  
    	{
              
    		SCK = 1;  //SCK为高电平时，输出一位数据   
    		dat = dat<<1;  //读取一位数据，默认读到的是0
    		if( SO==1 )   
    			dat = dat|0x01;   //如果SO是高电平，则把读取到的一位数据设置为1
    		SCK = 0;  //得到一位数据后重新把SCK拉低  
    	}
    	CS = 1;  //读取数据完成，重新把片选设置为1。
    	
    	//16位的数据左移一位之后，数据仍然是16位，但是最高位溢出
    	dat = dat << 1;	//略去dat的最高位，这一位始终无效
    
    	//后三位也没有用。但由于刚刚左移了一位，所以要右移4位才能删除原先的低三位
    	//D2 = 1表示热电偶端口；D1是热电偶的标识位，D0无效
    	dat = dat >> 4;
    		
    	return dat; //返回有效数字，单位为0.25度  
    }

MAX6675芯片得到的是12位数据，精度为0.25度，所以返回的数据是dat个0.25度。可以用result \* 0.25表示最终的温度。实测检测结果与煤油温度计的读数很接近，误差 < 1℃。

注：读取MAX6675芯片的程序是厂家赠送的。

总结：  
对于 (简单的) 时序图来说，最重要的是弄清初始状态，以及什么时候读取数据。另外，芯片得到的数据有时不是每一位都是有效的，需要根据datasheet中的提示，酌情删除无效位，才能最终得到有效数据。一定要搞清楚从芯片中得到的数据代表了什么，怎样把这些数据转化成自己真正需要的数据。

成本：数字温度传感器DS18B20 << K型热电偶 < PT100 < PT1000。  
温度检测范围：K型热电偶 > PT100 > PT1000 > DS18B20。  
其中K型热电偶的检测范围为：0~1024℃；PT100和PT1000可以检测0℃以下的温度；PT1000最高可以达到0.1℃的精度。

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