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ADS1220高精度ADC（TI）——应用 源码

news 来源：原创 2025/5/16 9:25:44

文章目录

    • 德州仪器ADS1220概述
    • 资料
    • 引脚&封装
    • 布线
    • 寄存器
      • 配置寄存器0（00h）
      • 配置寄存器1（01h）
      • 配置寄存器2（02h）
      • 配置寄存器3（03h）
    • 连续转换流程
    • 驱动源码
      • ads1220.c
      • ads1220.h

德州仪器ADS1220概述

  • 高性能 24 位Δ-Σ 模数转换器(ADC)

  • 支持两个差分输入或四个单端输入

  • 集成了低噪声可编程增益放大器(PGA)、双可编程激励电流源、电压基准、振荡器、低侧开关以及精密温度传感器

  • 支持高达 2000 SPS 的采样速率，并能在单周期内完成稳定转换

  • 其数字滤波器在 20SPS 采样频率下可同时抑制 50Hz 和 60Hz 干扰

  • 内部 PGA 提供高达 128V/V 的增益，特别适用于小型传感器信号测量

  • 器件支持伪差分或全差分信号测量，并可通过配置禁用内部 PGA，在保持高输入阻抗的同时提供最高 4V/V 增益，实现单端测量

  • 在禁用 PGA 的占空比模式下，器件功耗可低至 120µA

  • ADS1220 采用 VQFN-16 或 TSSOP-16 封装，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，适用于严苛环境下的精密测量应用。

资料

ADS1220 DATASHEET

引脚&封装

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布线

在这里插入图片描述
在AIN0和AIN1之间、AIN2和AIN3之间、REFP0和REFN0之间的外围都是两个电阻三个电容，其作用如下：

  • 抗混叠滤波
    差分电容与电阻构成一阶RC滤波器，用于限制高频噪声和混叠效应。Δ-Σ ADC的调制器以高频（如256kHz）采样输入信号，未衰减的高频成分会混叠到通带，导致测量误差。
  • 共模噪声抑制
    共模电容用于衰减共模噪声。差分电容应比共模电容大10倍，以避免电容不匹配将共模噪声转为差分噪声。
  • 保护ADC输入
    外部滤波器电阻还限制输入过压时的电流，保护内部ESD二极管。

寄存器

在这里插入图片描述

配置寄存器0（00h）

  • MUX[3:0] ：输入多路复用器配置，选择差分/单端输入组合或系统监测功能（如电源/基准监测）。
    单端测量需禁用PGA，差分测量可启用PGA高增益。
  • GAIN[2:0] ：设置PGA增益（1至128），禁用PGA时仅支持增益1/2/4。
    低噪声放大器，用于放大微小传感器信号（如热电偶/RTD）。
  • PGA_BYPASS：禁用和旁路PGA以扩展共模电压范围（AVSS-0.1V至AVDD+0.1V）。
    单端信号测量或需宽共模电压时启用。 当PGA旁路时，内部放大器被禁用，牺牲增益换取更宽输入范围。

配置寄存器1（01h）

  • DR[2:0]：选择数据速率（5SPS至2kSPS），随工作模式（正常/占空比/Turbo）变化。
  • MODE[1:0]：设置工作模式（正常/占空比/Turbo）。
  • CM：转换模式选择（单次/连续）。
  • TS：启用内部温度传感器模式。
  • BCS：控制10μA烧毁电流源，用于传感器故障检测。
    烧毁电流源用于检测传感器开路（拉至满量程）或短路（近零读数），但会引入测量误差，精密测量需禁用以避免干扰。

配置寄存器2（02h）

  • VREF[1:0] ：选择基准源（内部2.048V/外部基准/电源）。
  • 50/60[1:0] ：配置FIR滤波器抑制50Hz/60Hz工频干扰。
    启用抑制会限制数据速率（仅20SPS或5SPS下有效）。
    未启用时（50/60[1:0]=00），滤波器带宽更宽，适合高频信号但抗干扰能力下降。
  • PSW：控制低侧电源开关（AIN3/REFN1至AVSS）。
  • IDAC[2:0] ：设置激励电流源输出（10μA至1.5mA）。
    典型应用是为RTD（电阻温度检测器）等传感器提供精确的激励电流，通过将IDAC1和IDAC2分别接入RTD的两条引线，利用匹配的电流抵消引线电阻产生的压降误差。
    IDAC合规电压是电流源输出端电压需≤AVDD-0.9V，否则精度下降。

配置寄存器3（03h）

  • I1MUX[2:0]：路由IDAC1至指定引脚（AINx或基准输入）。
  • I2MUX[2:0]：路由IDAC2至指定引脚（AINx或基准输入）。
  • DRDYM：选择DRDY指示模式（仅专用引脚或复用DOUT/DRDY）。
  • 保留位：固定写0。

连续转换流程

  1. 上电：延迟以允许电源稳定并完成上电复位（最小50 µs）。
  2. 配置SPI接口：将微控制器的SPI接口配置为模式1（CPOL = 0，CPHA = 1）。
  3. 配置片选引脚：如果片选（CS）引脚未永久接地，将连接到CS的微控制器GPIO配置为输出。
  4. 配置数据准备好引脚：将连接到DRDY引脚的微控制器GPIO配置为下降沿触发的中断输入。
  5. 拉低片选信号：将CS拉低以选中设备。
  6. 延迟CSSC时间：延迟至少td(CSSC)的时间。
  7. 发送复位命令：发送复位命令（06h），确保设备在上电后正确复位。
  8. 延迟复位时间：延迟至少50 µs + 32 * t(CLK)的时间。
  9. 写入寄存器配置：使用WREG命令（43h, 08h, 04h, 10h, 和00h）写入相应的寄存器配置。
  10. 可选配置验证：作为可选的验证步骤，使用RREG命令（23h）读回所有配置寄存器。
  11. 启动转换：发送START/SYNC命令（08h），以连续转换模式启动转换。
  12. 延迟SCCS时间：延迟至少td(SCCS)的时间。
  13. 释放片选信号：将CS拉高以重置串行接口。
  14. 数据读取循环，循环执行以下操作：
    14.1 等待DRDY引脚变为低电平。
    14.2 将CS拉低。
    14.3 延迟至少td(CSSC)的时间。
    14.4 发送24个SCLK上升沿，以从DOUT/DRDY读取转换数据。
    14.5 延迟至少td(SCCS)的时间。
    14.6 将CS拉高。
  15. 进入待机模式
    15.1 将CS拉低。
    15.2 延迟至少td(CSSC)的时间。
    15.3 发送POWERDOWN命令（02h），停止转换并将设备置于待机模式。
    15.4 延迟至少td(SCCS)的时间。
    15.5 将CS拉高。

注：上面的步骤14.1中，等待DRDY引脚变为低电平，但在一些应用中，DRDY引脚可能没有接入MCU。
这种情况可以等待DOUT/DRDY引脚变为低电平，以确认ADC已经完成转化。
但需要注意先拉低片选，再去等待DOUT/DRDY引脚变为低电平。
.
在这里插入图片描述

驱动源码

ads1220.c

/********************************************************************************* @file    ads1220.c* @author  zjq* @brief   ads1220 bsp*******************************************************************************/
#include "ads1220.h"
#include "Gpio.h"
#include "spi.h"/* Cmd ***********************************************************************/
const uint8_t ADS1220_CMD_RESET     = 0x06;
const uint8_t ADS1220_CMD_START     = 0x08;
const uint8_t ADS1220_CMD_RDATA     = 0x10;
const uint8_t ADS1220_CMD_PWR_DOWN  = 0x02;
const uint8_t ADS1220_CMD_READ_REG  = 0x20;
const uint8_t ADS1220_CMD_WRITE_REG = 0x40;/* Static Function ***********************************************************/
static ADS1220_StatusTypedef ADS1220_SPI_Write(uint8_t const *pWrite, uint8_t len);
static ADS1220_StatusTypedef ADS1220_SPI_Receive(uint8_t *pRecv, uint8_t len);
static ADS1220_StatusTypedef ADS1220_WriteRegister(uint32_t regStartAddr, uint32_t regNum, uint8_t *pData);
static ADS1220_StatusTypedef ADS1220_ReadRegister(uint32_t regStartAddr, uint32_t regNum, uint8_t *pData);/*** @brief Use SPI Write to ADS1220* @param pWrite* @param len* @retval ADS1220 Status*/
static ADS1220_StatusTypedef ADS1220_SPI_Write(uint8_t const *pWrite, uint8_t len)
{for (uint8_t i = 0; i < len; i++){if (HAL_OK != HAL_SPI_Transmit(&hspi3, &pWrite[i], 1, 10)){return ADS1220_FAIL;}}return ADS1220_OK;
}/*** @brief Use SPI Read From ADS1220* @param pRecv* @param len* @retval ADS1220 Status*/
static ADS1220_StatusTypedef ADS1220_SPI_Receive(uint8_t *pRecv, uint8_t len)
{uint8_t temp = 0xff;for (uint8_t i = 0; i < len; i++){if (HAL_OK != HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi3, &temp, &pRecv[i], 1, 10)){return ADS1220_FAIL;}}return ADS1220_OK;
}/*** @brief Write ADS1220 Register* @param regStartAddr* @param regNum* @param pData* @retval ADS1220 Status*/
static ADS1220_StatusTypedef ADS1220_WriteRegister(uint32_t regStartAddr, uint32_t regNum, uint8_t *pData)
{ADS1220_CS_LOW();HAL_Delay(10);uint8_t temp = ((regStartAddr << 2) & 0x0c);temp |= (regNum - 1) & 0x03;temp |= ADS1220_CMD_WRITE_REG;if (ADS1220_OK != ADS1220_SPI_Write(&temp, 1)){return ADS1220_FAIL;}if (ADS1220_OK != ADS1220_SPI_Write(pData, regNum)){return ADS1220_FAIL;}ADS1220_CS_HIGH();return ADS1220_OK;
}/*** @brief Read ADS1220 Register* @param regStartAddr* @param regNum* @param pData* @retval ADS1220 Status*/
static ADS1220_StatusTypedef ADS1220_ReadRegister(uint32_t regStartAddr, uint32_t regNum, uint8_t *pData)
{ADS1220_CS_LOW();HAL_Delay(5);uint8_t temp = ((regStartAddr << 2) & 0x0c);temp |= (regNum - 1) & 0x03;temp |= ADS1220_CMD_READ_REG;if (ADS1220_OK != ADS1220_SPI_Write(&temp, 1)){return ADS1220_FAIL;}if (ADS1220_OK != ADS1220_SPI_Receive(pData, regNum)){return ADS1220_FAIL;}ADS1220_CS_HIGH();return ADS1220_OK;
}/* Global Function ***********************************************************//*** @brief Initialize ADS1220* @param void* @note* @retval void*/
void ADS1220_Init(void)
{MX_SPI3_Init();ADS1220_Reset();
}/*** @brief Select ADS1220 channel* @param  chl* @note* @retval ADS1220 Status*/
ADS1220_StatusTypedef ADS1220_Channal_Sel(uint8_t chl)
{static uint8_t recvTemp[4] = {0};static uint8_t sendTemp[4] = {0};switch (chl){case ADS1220_CH0:sendTemp[0] = MUX_P_AIN0_N_AVSS;break;case ADS1220_CH1:sendTemp[0] = MUX_P_AIN1_N_AVSS;break;case ADS1220_CH2:sendTemp[0] = MUX_P_AIN2_N_AVSS;break;case ADS1220_CH3:sendTemp[0] = MUX_P_AIN3_N_AVSS;break;}sendTemp[0] |= GAIN_1 | PGA_BYPASS;sendTemp[1] = DR_45SPS | MODE_NORMAL | CM_SINGLE | TS_OFF | BCS_OFF;sendTemp[2] = VREF_EXT_REF0_PINS | FIR_50_60 | PSW_OPEN | IDAC_OFF;sendTemp[3] = I1MUX_DISABLED | I2MUX_DISABLED | DRDY_ON_DOUT_DRDY;ADS1220_WriteRegister(0x00, 4, sendTemp);HAL_Delay(5);ADS1220_ReadRegister(0x00, 4, recvTemp);for (uint8_t i = 0; i < 4; i++){if (sendTemp[i] != recvTemp[i]){return ADS1220_FAIL;}}return ADS1220_OK;
}/*** @brief Start ADS1220 ADC convert* @param  void* @note* @retval ADS1220 Status*/
ADS1220_StatusTypedef ADS1220_Start(void)
{ADS1220_CS_LOW();if (ADS1220_OK != ADS1220_SPI_Write(&ADS1220_CMD_START, 1)){ADS1220_CS_HIGH();return ADS1220_FAIL;}ADS1220_CS_HIGH();return ADS1220_OK;
}/*** @brief Reset ADS1220* @param  void* @note* @retval ADS1220 Status*/
ADS1220_StatusTypedef ADS1220_Reset(void)
{ADS1220_CS_LOW();if (ADS1220_OK != ADS1220_SPI_Write(&ADS1220_CMD_RESET, 1)){ADS1220_CS_HIGH();return ADS1220_FAIL;}ADS1220_CS_HIGH();return ADS1220_OK;
}/*** @brief Wait ADS1220 DRDY pin* @param  timeout* @note* @retval ADS1220 Status*/
ADS1220_StatusTypedef ADS1220_Wait_DRDY(uint8_t timeout)
{uint32_t beginTime = HAL_GetTick();ADS1220_CS_LOW();HAL_Delay(5);while ((HAL_GetTick() - beginTime) < timeout){if (ADS1220_DRDY_RDY == ADS1220_DRDY_GET()){ADS1220_CS_HIGH();return ADS1220_OK;}}ADS1220_CS_HIGH();return ADS1220_FAIL;
}/*** @brief Read ADS1220 ADC convert result* @param  void* @note* @retval Convert result*/
int32_t ADS1220_Read_Data(void)
{uint8_t  temp[3]   = {0};uint32_t returnVal = 0;ADS1220_CS_LOW();if (ADS1220_OK != ADS1220_SPI_Write(&ADS1220_CMD_RDATA, 1)){return 0;}if (ADS1220_OK != ADS1220_SPI_Receive(temp, 3)){return 0;}ADS1220_CS_HIGH();returnVal = (temp[0] << 16) | (temp[1] << 8) | (temp[2]);if (returnVal & 0x800000){returnVal |= 0xff000000;}return returnVal;
}/*** @brief ADS1220 ADC convert once and read result* @param  chl* @note* @retval Convert result*/
int32_t ADS1220_ReadConvertOnce(uint8_t chl)
{ADS1220_Channal_Sel(chl);ADS1220_Start();ADS1220_Wait_DRDY(30);return ADS1220_Read_Data();
}

ads1220.h

/********************************************************************************* @file    ads1220.h* @author  zjq* @brief   ads1220 bsp*******************************************************************************/
#ifndef __ADS_1220_H
#define __ADS_1220_H#include "stdint.h"
#include "sys.h"/* 函数返回值 */
typedef enum
{ADS1220_OK   = 0x00U,ADS1220_FAIL = 0x01U,
} ADS1220_StatusTypedef;/* 通道选择 */
#define ADS1220_CH0          (0)
#define ADS1220_CH1          (1)
#define ADS1220_CH2          (2)
#define ADS1220_CH3          (3)/* Reg0 [7:4]MUX */
#define MUX_P_AIN0_N_AIN1    (0X00U)
#define MUX_P_AIN0_N_AIN2    (0X10U)
#define MUX_P_AIN0_N_AIN3    (0X20U)
#define MUX_P_AIN1_N_AIN2    (0X30U)
#define MUX_P_AIN1_N_AIN3    (0X40U)
#define MUX_P_AIN2_N_AIN3    (0X50U)
#define MUX_P_AIN1_N_AIN0    (0X60U)
#define MUX_P_AIN3_N_AIN2    (0X70U)
#define MUX_P_AIN0_N_AVSS    (0X80U)
#define MUX_P_AIN1_N_AVSS    (0X90U)
#define MUX_P_AIN2_N_AVSS    (0XA0U)
#define MUX_P_AIN3_N_AVSS    (0XB0U)
#define MUX_P_REFP_N_REFN    (0XC0U)
#define MUX_P_AVDD_N_AVSS    (0XD0U)
#define MUX_PN_SHORT_HALFVDD (0XE0U)
/* Reg0 [3:1]GAIN */
#define GAIN_1               (0X00U)
#define GAIN_2               (0X02U)
#define GAIN_4               (0X04U)
#define GAIN_8               (0X06U)
#define GAIN_16              (0X08U)
#define GAIN_32              (0X0AU)
#define GAIN_64              (0X0CU)
#define GAIN_128             (0X0EU)
/* Reg0 [0]PGA_BYPASS */
#define PGA_BYPASS           (0X01U)
#define PGA_AMP              (0X00U)
/* Reg1 [7:5]DR */
#define DR_20SPS             (0X00U)
#define DR_45SPS             (0X20U)
#define DR_90SPS             (0X40U)
#define DR_175SPS            (0X60U)
#define DR_330SPS            (0X80U)
#define DR_600SPS            (0XA0U)
#define DR_1000SPS           (0XC0U)
/* Reg1 [4:3]MODE */
#define MODE_NORMAL          (0X00U)
#define MODE_DUTY            (0X08U)
#define MODE_TURBO           (0X10U)
/* Reg1 [2]CM */
#define CM_SINGLE            (0X00U)
#define CM_CONTINUE          (0X04U)
/* Reg1 [1]TS */
#define TS_ON                (0X02U)
#define TS_OFF               (0X00U)
/* Reg1 [0]BCS */
#define BCS_ON               (0X01U)
#define BCS_OFF              (0X00U)
/* Reg2 [7:6]VREF */
#define VREF_INTERNAL        (0X00U)
#define VREF_EXT_REF0_PINS   (0X40U)
#define VREF_EXT_REF1_PINS   (0X80U)
#define VREF_AVDD            (0XC0U)
/* Reg2 [5:4]50/60 */
#define FIR_NONE             (0X00U)
#define FIR_50_60            (0X10U)
#define FIR_50               (0X20U)
#define FIR_60               (0X30U)
/* Reg2 [3]PSW */
#define PSW_OPEN             (0X00U)
#define PSW_CLOSES           (0X08U)
/* Reg2 [2:0]IDAC */
#define IDAC_OFF             (0X00U)
#define IDAC_10uA            (0X01U)
#define IDAC_50uA            (0X02U)
#define IDAC_100uA           (0X03U)
#define IDAC_250uA           (0X04U)
#define IDAC_500uA           (0X05U)
#define IDAC_1000uA          (0X06U)
#define IDAC_1500uA          (0X07U)
/* Reg3 [7:5]I1MUX */
#define I1MUX_DISABLED       (0X00U)
#define I1MUX_AIN0           (0X20U)
#define I1MUX_AIN1           (0X40U)
#define I1MUX_AIN2           (0X60U)
#define I1MUX_AIN3           (0X80U)
#define I1MUX_REFP0          (0XA0U)
#define I1MUX_REFN0          (0XC0U)
/* Reg3 [4:2]I2MUX */
#define I2MUX_DISABLED       (0X00U)
#define I2MUX_AIN0           (0X04U)
#define I2MUX_AIN1           (0X08U)
#define I2MUX_AIN2           (0X0CU)
#define I2MUX_AIN3           (0X10U)
#define I2MUX_REFP0          (0X14U)
#define I2MUX_REFN0          (0X18U)
/* Reg3 [1]DRDYM */
#define DRDY_ON_DOUT_DRDY    (0X02U)
#define DRDY_ON_DRDY_ONLY    (0X00U)/* Global Function ***********************************************************/
/*** @brief Initialize ADS1220* @param void* @note* @retval void*/
void ADS1220_Init(void);/*** @brief Select ADS1220 channel* @param  chl* @note* @retval ADS1220 Status*/
ADS1220_StatusTypedef ADS1220_Channal_Sel(uint8_t chl);/*** @brief Start ADS1220 ADC convert* @param  void* @note* @retval ADS1220 Status*/
ADS1220_StatusTypedef ADS1220_Start(void);/*** @brief Reset ADS1220* @param  void* @note* @retval ADS1220 Status*/
ADS1220_StatusTypedef ADS1220_Reset(void);/*** @brief Wait ADS1220 DRDY pin* @param  timeout* @note* @retval ADS1220 Status*/
ADS1220_StatusTypedef ADS1220_Wait_DRDY(uint8_t timeout);/*** @brief Read ADS1220 ADC convert result* @param  void* @note* @retval Convert result*/
int32_t ADS1220_Read_Data(void);/*** @brief ADS1220 ADC convert once and read result* @param  chl* @note* @retval Convert result*/
int32_t ADS1220_ReadConvertOnce(uint8_t chl);#endif

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