AD9833函数发生器的驱动设计与实现
描述
很多时候我们需要输出某种函数信号，如方波、三角波、正弦波等，但想要获得这样的函数信号，不论是硬件电路还是软件实现，却并不是一件简单的事情。不过AD9833这类函数生成芯片可以简化这方面的操作，这一节我们就来设计并实现AD9833的驱动。
1 、功能概述
各种类型的检测、信号激励和时域反射(TDR)应用都需要波形发生器。而AD9833就是一款低功耗、可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波和方波输出。
1.1 、硬件配置及功能描述
AD9833无需额外的外部元件就能够产生正弦波、三角波和方波输出。输出频率和相位可通过软件进行编程，调整简单。AD9833通过一个三线式串行接口写入数据。该串行接口能够以最高40 MHz的时钟速率工作，并且与DSP和微控制器标准兼容。该器件采用2.3 V至5.5 V电源供电。
1.2 、内部寄存器
AD9833包含一个16位控制寄存器，让用户可以配置AD9833的操作。mode位之外的所有控制位均在MCLK的内部下降沿采样。
控制寄存器各位的含义如下：
AD9833包含两个频率寄存器和两个相位寄存器，频率寄存器为28位：时钟速率为25 MHz时，可以实现0.1 Hz的分辨率；而时钟速率为1 MHz时，则可以实现0.004 Hz的分辨率。
每次写数据时，都是从写控制寄存器器开始，每次写的16为数据的高两位用以决定所写的寄存器。
如上图所示，写不同寄存器时高两位需根据寄存器的不同设定不同的值。
2 、驱动设计与实现
我们已经了解了AD9833的基本情况。接下来我们就据此实现AD9833波形发生器驱动的设计及实现。
2.1 、对象定义
AD9833波形发生器的驱动依然采用基于对象的操作，所以我们需要先得到AD9833波形发生器的对象。
2.1.1 、抽象对象类型
一个对象最起码包含属性和操作两方面内容，我们先来分析一下AD9833波形发生器对象需要包含哪些属性和操作。
对于AD9833波形发生器来说，控制寄存器的状态决定了下一步的操作，所以我们将控制寄存器的状态抽象为对象的属性，以便随时掌握操作的目标。此外，作为函数发生器，输出的信号具有周期性，在输出频率固定的情况下，计算有一个常数，我们将其作为属性已确认输出型号的频率。
进而我们考虑AD9833波形发生器对象的操作。首先我们要操作AD9833波形发生器则需要向其传送数据，所以我们将向AD9833波形发生器写数据作为对象的一个操作。AD9833波形发生器采用SPI通讯接口，有时需要在软件中对片选信号进行操作，所以我们将片选型号的操作作为对象的另一个操作。在一些情况下，有些针对对象的活动需要延时进行，而在不同的平台中采取的延时方式不尽相同，为了操作方便我们将延时操作作为对象的一个操作。
据以上的分析我们可以抽象AD9833波形发生器的对象类型如下：
1 /* 定义AD9833对象类型 */
2 typedef struct Ad9833Object{
3 uint16_t ctlRegister; //控制寄存器
4 float freqConstant; //频率计算常数
5 void (*WriteData)(uint8_t *tData，uint16_t tSize); //向DAC发送数据 void (*ChipSelcet)(AD9833CSType en); //片选信号
7 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //ms延时操作指针
8 }Ad9833ObjectType;
2.1.2 、对象初始化
我们虽然得到了AD9833的对象，但对象不能直接使用，我们需要对其进行初始化方能使用。所以接下来我们考虑AD9833波形发生器对象的初始化函数。
初始化函数至少包含有2方面内容：一是为对象变量赋必要的初值；二是检查这些初值是否是有效的。特别是一些操作指针错误的话可能产生严重的后果。基于这一原则，我们设计AD9833波形发生器的对象初始化函数如下：
1 /* 初始化AD9833对象 */
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; //默认是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 、对象操作
我们已知AD9833波形发生器包含3类寄存器：控制寄存器、频率寄存器和相位寄存器。接下来我们就实现对这三个寄存器的操作。
2.2.1 、操作控制寄存器
AD9833波形发生器有一个16位的控制寄存用于配置各种操作。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。与频率寄存器和相位寄存器相关的配置我们在后续说明，这里先看看复位、休眠及输出模式的配置。
AD9833上电时，器件应复位。要使AD9833复位， 应将DB8(RESET)位置1。要使器件退出复位，应将该位清0。在reset 置0后的8个MCLK周期内，DAC输出端会出现信号。复位功能可使相应的内部寄存器复位至0，以提供中间电平的模拟输出。复位操作不会使相位、频率或控制寄存器复位。
1 /* 复位AD9833对象 */
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功能可关断AD9833中不使用的部分，以将功耗降至最低。可关断的芯片部分是内部时钟和DAC。休眠功能需要操作DB7(SLEEP1)和DB6(SLEEP12)位。具体配置如下：
1 /* 设置AD9833休眠状态 */
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可从芯片提供各种输出，所有这些输出均通过VOUT引脚提供。输出选项包括DAC数据的MSB、正弦波 输出或三角波输出。控制寄存器的DB5(OPBITEN)、DB3(DIV2)和DB1(MODE)决定 AD9833将提供的输出。具体如下：
1 /* 设置AD9833的输出模式 */
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 、操作频率寄存器
写频率寄存器时，Bit D15和Bit D14设置为01或10。控制寄存DB13(B28)和DB12(HLB)位决定操作的频率寄存器。如果希望更改某个频率寄存器的全部内容，则必须向 同一地址执行两次连续写入，因为频率寄存器是28位宽。 第一次写入包含14个LSB，第二次写入则包含14个MSB。 对于此工作模式，B28(D13)控制位应置1。在某些应用中，用户无需更新频率寄存器的全部28个位。 在粗调情况下，只需更新14个MSB，而在精调情况下，则只需更新14个LSB。通过将B28 (D13)控制位清0时，28位频率寄存器用作两个14位寄存器，其中一个包含14个MSB，另一个则包含14个LSB。这意味着，可单独更新频率字的 14个MSB而不影响14个LSB，反之亦然。控制寄存器中的 Bit HLB (D12)确定要更新的具体14个位。数据结构如下：
1 /* 设置频率寄存器的值 */
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
写入相位寄存器时，Bit D15和Bit D14设置为11。Bit D13确定将载入的相位寄存器。具体结构如下：
1 /* 设置相位寄存器的值 */
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 、驱动的使用
我们已经设计并实现了AD9833波形发生器的驱动，接下来我们考虑如何使用这一驱动程序实现AD9833波形发生器的应用。
3.1 、声明并初始化对象
驱动是基于对象的操作设计的，所以我们先要使用Ad9833ObjectType声明对象变量。形如：
Ad9833ObjectType ad9833;
声明了这个对象变量并不能用于操作AD9833波形发生器，我们还需要使用初始化函数对对象变量进行初始化。初始换函数所需参数如下：
Ad9833ObjectType *dev，所要初始化的AD9833对象设备
float mclk，AD9833采用的数字时钟，默认为25M
AD9833WriteData write，写AD9833对象函数
AD9833ChipSelcet cs，AD9833片选信号操作函数
AD9833Delayms delayms，操作ms延时函数
对于这些参数，对象变量我们已经定义了。AD9833采用的数字时钟则根据我们的实际使用情况输入。主要的是我们需要定义几个函数，并将函数指针作为参数。这几个函数的类型如下：
1 /* 定义AD9833写数据指针类型 */
2 typedef void (*AD9833WriteData)(uint8_t *tData，uint16_t tSize);
3
4 /* 定义AD9833片选操作指针类型 */
5 typedef void (*AD9833ChipSelcet)(AD9833CSType en);
6
7 /* 定义AD9833 ms延时操作指针类型 */
8 typedef void (*AD9833Delayms)(volatile uint32_t nTime);
对于这几个函数我们根据样式定义就可以了，具体的操作可能与使用的硬件平台有关系。片选操作函数用于多设备需要软件操作时，如采用硬件片选可以传入NULL即可。具体函数定义如下：
1 /*定义片选信号函数*/
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 /*定义发送数据函数*/
15 void AD9833TransmitData(uint8_t *wData，uint16_t wSize)
16 {
17 HAL_SPI_Transmit (&ad9833hspi， wData， wSize， 1000);
18 }
对于延时函数我们可以采用各种方法实现。我们采用的STM32平台和HAL库则可以直接使用HAL_Delay()函数。于是我们可以调用初始化函数如下：
AD9833Initialization(&ad9833，25.0，AD9833TransmitData，AD9833CS，HAL_Delay);
3.2 、基于对象进行操作
接下来我们将操作对象生成我们想要的波形。如我们想要生成频率为10MHz，相位为0的正弦波，编码如下：
1 /* 生成波形 */
2 void SignalGenerator(void)
3 {
4 SetAD9833FreqRegister(&ad9833，FREQ0_B28，10000000);
5 SetAD9833PhaseRegister(&ad9833，PHASE0，0.0);
6
7 SelectAD9833FregRegister(&ad9833，FREQ0);
8 SelectAD9833PhaseRegister(&ad9833，PHASE0);
9
10 SetAD9833OutputMode(&ad9833，sinusoid);
11 }
在这段程序中我们使用的是频率寄存器0和相位寄存器0，并且频率寄存器采用的是修改28位的形式。对于其他的操作方式我们我们可以作相应的更改。
4 、应用总结
我们已经实现AD9833波形发生器的驱动及基于此驱动的应用。我们输出正弦波，三角波及方波均得到了与我们预期一致的结果，说明驱动的设计是符合需求的。
控制寄存器的DB11(FSELECT)和DB10(PSELECT)位决定所使用的频率寄存器和相位寄存器，默认是FREQ0寄存器和PHASE0寄存器。若需要修改则可以调用SelectAD9833FregRegister和SelectAD9833PhaseRegister函数进行配置。
在使用驱动时需注意，采用SPI接口的器件需要考虑片选操作的问题。如果片选信号是通过硬件电路来实现的，我们在初始化时给其传递NULL值。如果是软件操作片选则传递我们编写的片选操作函数。
完整的源代码可在GitHub下载：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver
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