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2026-07-18 16:09:06 +08:00
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354
Drivers/BSP/TPAFE5160/tpafe5160.c Normal file
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@@ -0,0 +1,354 @@
/*
* 模块名称：TPAFE5160 16位8通道同步采样ADC驱动
* 模块功能：提供 TPAFE5160 并行接口模式下的初始化、过采样设置、转换启动、数据读取接口
* 适用平台：STM32F407ZGT6，并行16位数据总线接 GPIOG[15:0]
* 作者：王建锋
* 创建日期：2026-07-17
* 修改记录：
* 2026-07-17 王建锋 创建初始版本，参考 AD7606 并行驱动及 TPAFE5160 手册
* 2026-07-17 王建锋 增加 EXTI 中断读取模式
*/
/* 头文件包含区 */
#include "tpafe5160.h"
/* ======================== 私有宏定义 ======================== */
/*
* 并行读取时序延时 (168MHz 主频，1 NOP ≈ 5.95ns)
*
* TPAFE5160 并行时序要求 (VDRIVE > 2.7V)：
* t10 (RD 低脉宽) ≥ 22ns
* t11 (RD 高脉宽) ≥ 10ns
* t14 (数据访问时间) ≤ 21ns (从 RD 下降沿算起)
* t15 (数据保持时间) ≥ 6ns (从 RD 下降沿算起)
*
* GPIO 写操作本身约 1 个 AHB 周期 (~6ns)，
* 加上端口延迟 (~12-18ns)，实际 RD 引脚翻转滞后约 18-24ns。
* 因此 NOP 延时只需覆盖数据建立时间即可。
*/
#define TP_NOP_5() __NOP(); __NOP(); __NOP(); __NOP(); __NOP()
/* RD 低脉宽延时：GPIO写(~6ns) + 5NOP(~30ns) > 22ns */
#define TP_RD_LOW_DLY() do { TPAFE5160_RD_LOW(); TP_NOP_5(); } while (0)
/* RD 高脉宽延时：GPIO写(~6ns) + 3NOP(~18ns) > 10ns */
#define TP_RD_HIGH_DLY() do { TPAFE5160_RD_HIGH(); __NOP(); __NOP(); __NOP(); } while (0)
/* CONVST 脉冲延时：上升沿前需保证低电平，5NOP 覆盖 t5 ≥ 20ns */
#define TP_CONVST_PULSE() do { \
TPAFE5160_CONVST_LOW(); \
TP_NOP_5(); \
TPAFE5160_CONVST_HIGH(); \
TP_NOP_5(); \
} while (0)
/* ======================== 私有函数声明 ======================== */
static void tpafe5160_read_channels(uint8_t count, int16_t *buf);
/* ======================== 公共函数定义 ======================== */
/*
* 函数功能：初始化 TPAFE5160（设置过采样、等待就绪）
* 入口参数：无
* 返回值：0 - 成功，-2 - BUSY 超时
* 限定条件：CubeMX 已完成 GPIO 初始化
* 函数说明：1. 设置过采样为无过采样 (000)
* 2. 确保 RD 为高、CONVST 为低
* 3. 等待 BUSY 释放（转换空闲）
*/
int tpafe5160_init(void)
{
/* 设置默认过采样：无过采样 (OS[2:0] = 000) */
tpafe5160_set_os(TP_OS_NONE);
/* 确保控制引脚处于空闲状态 */
TPAFE5160_RD_HIGH();
TPAFE5160_CONVST_LOW();
/* 等待 BUSY 释放，确保上电后无残留转换 */
return tpafe5160_wait_busy(TPAFE5160_CONV_TIMEOUT_MS);
}
/*
* 函数功能：设置过采样率
* 入口参数：os - 过采样率枚举值 tpafe5160_os_t
* 返回值：无
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：通过 OS[2:0] 引脚设置过采样率，在下一次 BUSY 下降沿锁存生效
*/
void tpafe5160_set_os(tpafe5160_os_t os)
{
TPAFE5160_OS0(os & 0x01); /* OS0 = bit0 */
TPAFE5160_OS1((os >> 1) & 0x01); /* OS1 = bit1 */
TPAFE5160_OS2((os >> 2) & 0x01); /* OS2 = bit2 */
}
/*
* 函数功能：启动一次转换（CONVST 上升沿触发）
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：产生 CONVST 脉冲上升沿，启动全部8通道同步采样与转换
*/
void tpafe5160_start_conv(void)
{
TP_CONVST_PULSE();
}
/*
* 函数功能：等待转换完成
* 入口参数：timeout_ms - 超时时间 uint32_t > 0
* 返回值：0 - 转换完成，-2 - 超时
* 限定条件：已调用 tpafe5160_start_conv()
* 函数说明：轮询 BUSY 引脚等待下降沿
*/
int tpafe5160_wait_busy(uint32_t timeout_ms)
{
uint32_t tick_start = HAL_GetTick();
/* 等待 BUSY 释放（低电平表示空闲） */
while (TPAFE5160_BUSY_READ() == GPIO_PIN_SET) {
if ((HAL_GetTick() - tick_start) >= timeout_ms) {
return TPAFE5160_BUSY_TIMEOUT;
}
}
return TPAFE5160_OK;
}
/*
* 函数功能：查询当前是否正在转换
* 入口参数：无
* 返回值：1 - 正在转换，0 - 空闲
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：读取 BUSY 引脚电平
*/
uint8_t tpafe5160_is_busy(void)
{
return (TPAFE5160_BUSY_READ() == GPIO_PIN_SET) ? 1 : 0;
}
/*
* 函数功能：读取全部8通道转换结果
* 入口参数：buf - 8个int16_t的输出缓冲区 int16_t* 不为 NULL
* 返回值：0 - 成功，-2 - BUSY 超时
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：1. 启动转换并等待 BUSY 释放
* 2. 连续8次拉低RD读取各通道数据
* 3. 通过 FRSTDATA 验证第一通道
*/
int tpafe5160_read_all(int16_t *buf)
{
int ret;
/* 启动转换 */
tpafe5160_start_conv();
/* 等待转换完成 */
ret = tpafe5160_wait_busy(TPAFE5160_CONV_TIMEOUT_MS);
if (ret != TPAFE5160_OK) {
return ret;
}
/* 连续读取8个通道 */
tpafe5160_read_channels(TPAFE5160_CH_NUM, buf);
return TPAFE5160_OK;
}
/*
* 函数功能：读取指定通道的转换结果
* 入口参数：channel - 通道号 uint8_t 0 - 7
* value - 输出指针 int16_t* 不为 NULL
* 返回值：0 - 成功，-1 - 通道号无效，-2 - BUSY 超时
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：启动转换并等待完成后，连续读取至指定通道
*/
int tpafe5160_read_channel(uint8_t channel, int16_t *value)
{
int ret;
int16_t buf[TPAFE5160_CH_NUM];
if (channel >= TPAFE5160_CH_NUM || value == NULL) {
return TPAFE5160_ERROR;
}
ret = tpafe5160_read_all(buf);
if (ret != TPAFE5160_OK) {
return ret;
}
*value = buf[channel];
return TPAFE5160_OK;
}
/*
* 函数功能：原始ADC值转电压值
* 入口参数：raw - ADC原始值 int16_t 有符号补码
* 返回值：电压值 float 单位 V
* 限定条件：无
* 函数说明：±5V量程时 LSB = 10V / 65536 ≈ 152.59μV
* ±10V量程时 LSB = 20V / 65536 ≈ 305.18μV
* 硬件 RANGE 引脚接 GND，默认 ±5V 量程
*/
float tpafe5160_to_voltage(int16_t raw)
{
/* RANGE 接 GND → ±5V 量程，满量程 10V */
return (float)raw * (10.0f / 65536.0f);
}
/*
* 函数功能：直接读取并行数据总线（不启动转换）
* 入口参数：无
* 返回值：16位原始数据 uint16_t
* 限定条件：RD 为低或 CS 与 RD 已拉低
* 函数说明：读取 GPIOG->IDR 低16位，对应 DB[15:0]
*/
uint16_t tpafe5160_read_bus(void)
{
return TPAFE5160_READ_BUS();
}
/* ======================== 私有函数定义 ======================== */
/*
* 函数功能：通过 RD 脉冲连续读取多个通道数据
* 入口参数：count - 要读取的通道数 uint8_t 1 - 8
* buf - 输出缓冲区 int16_t* 不为 NULL
* 返回值：无
* 限定条件：转换已完成（BUSY 为低），RD 初始为高
* 函数说明：每次 RD 下降沿输出一个通道数据，按通道1~8顺序输出
* DB[15:0] 直接接 GPIOG[15:0]，通过 IDR 寄存器一次读取
*
* 时序关键点 (VDRIVE > 2.7V, 168MHz 主频)：
* GPIO 写操作 ~6ns + 端口延迟 ~18ns → RD 引脚实际翻转约 24ns 后
* t14 数据建立 ≤ 21ns → 数据在 RD 下降沿后 21ns 内有效
* 5 个 NOP (~30ns) 覆盖建立时间
*/
static void tpafe5160_read_channels(uint8_t count, int16_t *buf)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < count; i++) {
/* RD 下降沿：ADC 输出当前通道数据到 DB[15:0] */
TP_RD_LOW_DLY();
/* 读取16位并行数据 */
buf[i] = (int16_t)TPAFE5160_READ_BUS();
/* RD 上升沿：准备下一通道 */
TP_RD_HIGH_DLY();
}
}
/* ======================== 中断模式实现 ======================== */
/* 双缓冲区：ISR 写 s_buf_b，主循环读 s_buf_a */
static int16_t s_buf_a[TPAFE5160_CH_NUM];
static int16_t s_buf_b[TPAFE5160_CH_NUM];
static volatile uint8_t s_ready = 0;
static volatile uint8_t s_buf_sel = 0; /* 0 = 写 B / 读 A, 1 = 写 A / 读 B */
/*
* 函数功能：使能 BUSY EXTI 中断（运行时重使能用）
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：CubeMX 已完成 GPIO 和 NVIC 配置
* 函数说明：正常启动流程无需调用，仅在 irq_disable() 后需要重新使能时使用
*/
void tpafe5160_irq_enable(void)
{
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn);
}
/*
* 函数功能：关闭 BUSY EXTI 中断
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：已调用 tpafe5160_irq_enable()
* 函数说明：仅禁用 NVIC 中断，GPIO 配置保持 CubeMX 设定
*/
void tpafe5160_irq_disable(void)
{
HAL_NVIC_DisableIRQ(EXTI9_5_IRQn);
}
/*
* 函数功能：启动转换（中断模式）
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：已调用 tpafe5160_irq_enable()
* 函数说明：产生 CONVST 脉冲，转换完成后由 EXTI 中断自动读取 8 通道数据
*/
void tpafe5160_start_conv_irq(void)
{
s_ready = 0;
TP_CONVST_PULSE();
}
/*
* 函数功能：检查是否有新的转换数据
* 入口参数：无
* 返回值：1 - 数据就绪，0 - 无新数据
* 限定条件：中断模式已启用
* 函数说明：在 EXTI 回调中置位，主循环读取后需调用 tpafe5160_clear_ready() 清除
*/
uint8_t tpafe5160_data_ready(void)
{
return s_ready;
}
/*
* 函数功能：清除数据就绪标志
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：中断模式已启用
* 函数说明：主循环处理完数据后调用
*/
void tpafe5160_clear_ready(void)
{
s_ready = 0;
}
/*
* 函数功能：获取数据缓冲区指针
* 入口参数：无
* 返回值：int16_t[8] 数据缓冲区的 const 指针
* 限定条件：tpafe5160_data_ready() 返回 1 时调用
* 函数说明：双缓冲切换，ISR 写另一个缓冲区，主循环安全读取当前缓冲区
*/
const int16_t* tpafe5160_get_buf(void)
{
return (s_buf_sel == 0) ? s_buf_a : s_buf_b;
}
/*
* 函数功能：BUSY 下降沿 EXTI 回调（由 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler 调用）
* 入口参数：GPIO_Pin - 触发中断的引脚号
* 返回值：无
* 限定条件：BUSY EXTI 已使能
* 函数说明：转换完成后自动读取 8 通道数据到缓冲区，耗时约 0.5µs (168MHz)
*/
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
if (GPIO_Pin != TP_BUSY_Pin) {
return;
}
/* 双缓冲切换：ISR 写与主循环读不同的缓冲区 */
int16_t *p_wr = (s_buf_sel == 0) ? s_buf_b : s_buf_a;
/* 连续读取8个通道，约 0.5µs @ 168MHz */
uint8_t i;
for (i = 0; i < TPAFE5160_CH_NUM; i++) {
TP_RD_LOW_DLY();
p_wr[i] = (int16_t)TPAFE5160_READ_BUS();
TP_RD_HIGH_DLY();
}
/* 切换缓冲区并标记就绪 */
s_buf_sel ^= 1;
s_ready = 1;
}

224
Drivers/BSP/TPAFE5160/tpafe5160.h Normal file
View File

@@ -0,0 +1,224 @@
#ifndef __TPAFE5160_H
#define __TPAFE5160_H
/*
* 模块名称：TPAFE5160 16位8通道同步采样ADC驱动
* 模块功能：提供 TPAFE5160 并行接口模式下的初始化、过采样设置、转换启动、数据读取接口
* 适用平台：STM32F407ZGT6，并行16位数据总线接 GPIOG[15:0]
* 作者：王建锋
* 创建日期：2026-07-17
* 修改记录：
* 2026-07-17 王建锋 创建初始版本，参考 AD7606 并行驱动及 TPAFE5160 手册
* 2026-07-17 王建锋 增加 EXTI 中断读取模式
*/
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#include "main.h"
/* ======================== 宏定义 ======================== */
/* 通道数量 */
#define TPAFE5160_CH_NUM 8
/* 控制引脚操作宏 —— RD (PD3) */
#define TPAFE5160_RD_LOW() HAL_GPIO_WritePin(TP_RD_GPIO_Port, TP_RD_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define TPAFE5160_RD_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(TP_RD_GPIO_Port, TP_RD_Pin, GPIO_PIN_SET)
/* 控制引脚操作宏 —— CONVST (PD4) */
#define TPAFE5160_CONVST_LOW() HAL_GPIO_WritePin(TP_CONVST_GPIO_Port, TP_CONVST_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define TPAFE5160_CONVST_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(TP_CONVST_GPIO_Port, TP_CONVST_Pin, GPIO_PIN_SET)
/* 状态引脚读取宏 */
#define TPAFE5160_BUSY_READ() HAL_GPIO_ReadPin(TP_BUSY_GPIO_Port, TP_BUSY_Pin)
#define TPAFE5160_FRSTDATA_READ() HAL_GPIO_ReadPin(TP_FRSTDATA_GPIO_Port, TP_FRSTDATA_Pin)
/* 过采样引脚操作宏 —— OS0 (PF13), OS1 (PF14), OS2 (PF15) */
#define TPAFE5160_OS0(val) HAL_GPIO_WritePin(TP_OS0_GPIO_Port, TP_OS0_Pin, \
(val) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET)
#define TPAFE5160_OS1(val) HAL_GPIO_WritePin(TP_OS1_GPIO_Port, TP_OS1_Pin, \
(val) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET)
#define TPAFE5160_OS2(val) HAL_GPIO_WritePin(TP_OS2_GPIO_Port, TP_OS2_Pin, \
(val) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET)
/* 并行数据总线读取 —— DB[15:0] 接 GPIOG[15:0]，单次读取16位 */
#define TPAFE5160_READ_BUS() ((uint16_t)GPIOG->IDR)
/* 过采样率枚举 (OS[2:0] 编码，OS2为MSB, OS0为LSB) */
typedef enum {
TP_OS_NONE = 0, /* 000 — 无过采样，350 kSPS */
TP_OS_X2 = 1, /* 001 — 2倍过采样，175 kSPS */
TP_OS_X4 = 2, /* 010 — 4倍过采样，87.5 kSPS */
TP_OS_X8 = 3, /* 011 — 8倍过采样，43.75 kSPS */
TP_OS_X16 = 4, /* 100 — 16倍过采样，21.875 kSPS */
TP_OS_X32 = 5, /* 101 — 32倍过采样，10.94 kSPS */
TP_OS_X64 = 6, /* 110 — 64倍过采样，5.47 kSPS */
TP_OS_HBW = 7 /* 111 — 高带宽模式 (~30kHz)，350 kSPS */
} tpafe5160_os_t;
/* 输入量程枚举 */
typedef enum {
TP_RANGE_5V = 0, /* ±5V (RANGE = LOW) */
TP_RANGE_10V = 1 /* ±10V (RANGE = HIGH) */
} tpafe5160_range_t;
/* 返回值定义 */
#define TPAFE5160_OK 0
#define TPAFE5160_ERROR -1
#define TPAFE5160_BUSY_TIMEOUT -2
/* 默认超时时间 (ms) */
#define TPAFE5160_CONV_TIMEOUT_MS 10
/* ======================== 函数声明 ======================== */
/*
* 函数功能：初始化 TPAFE5160（设置过采样、等待就绪）
* 入口参数：无
* 返回值：0 - 成功，-2 - BUSY 超时
* 限定条件：CubeMX 已完成 GPIO 初始化
* 函数说明：1. 设置过采样为无过采样 (000)
* 2. 确保 RD 为高、CONVST 为低
* 3. 等待 BUSY 释放（转换空闲）
*/
int tpafe5160_init(void);
/*
* 函数功能：设置过采样率
* 入口参数：os - 过采样率枚举值 tpafe5160_os_t
* 返回值：无
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：通过 OS[2:0] 引脚设置过采样率，在下一次转换时生效
*/
void tpafe5160_set_os(tpafe5160_os_t os);
/*
* 函数功能：启动一次转换（CONVST 上升沿触发）
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：产生 CONVST 脉冲上升沿，启动全部8通道同步采样与转换
*/
void tpafe5160_start_conv(void);
/*
* 函数功能：等待转换完成
* 入口参数：timeout_ms - 超时时间 uint32_t > 0
* 返回值：0 - 转换完成，-2 - 超时
* 限定条件：已调用 tpafe5160_start_conv()
* 函数说明：轮询 BUSY 引脚等待下降沿
*/
int tpafe5160_wait_busy(uint32_t timeout_ms);
/*
* 函数功能：查询当前是否正在转换
* 入口参数：无
* 返回值：1 - 正在转换，0 - 空闲
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：读取 BUSY 引脚电平
*/
uint8_t tpafe5160_is_busy(void);
/*
* 函数功能：读取全部8通道转换结果
* 入口参数：buf - 8个int16_t的输出缓冲区 int16_t* 不为 NULL
* 返回值：0 - 成功，-2 - BUSY 超时
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：1. 启动转换并等待 BUSY 释放
* 2. 连续8次拉低RD读取各通道数据
* 3. 通过 FRSTDATA 验证第一通道
*/
int tpafe5160_read_all(int16_t *buf);
/*
* 函数功能：读取指定通道的转换结果
* 入口参数：channel - 通道号 uint8_t 0 - 7
* value - 输出指针 int16_t* 不为 NULL
* 返回值：0 - 成功，-1 - 通道号无效，-2 - BUSY 超时
* 限定条件：GPIO 已初始化
* 函数说明：启动转换并等待完成后，连续读取至指定通道
*/
int tpafe5160_read_channel(uint8_t channel, int16_t *value);
/*
* 函数功能：原始ADC值转电压值
* 入口参数：raw - ADC原始值 int16_t 有符号补码
* 返回值：电压值 float 单位 V
* 限定条件：无
* 函数说明：±5V量程时 LSB=152.59μV，±10V量程时 LSB=305.18μV
* 默认使用 ±5V 量程 (RANGE 接 GND)
*/
float tpafe5160_to_voltage(int16_t raw);
/*
* 函数功能：直接读取并行数据总线（不启动转换）
* 入口参数：无
* 返回值：16位原始数据 uint16_t
* 限定条件：RD 为低或CS与RD已拉低
* 函数说明：用于读取当前总线上的数据，需自行控制RD时序
*/
uint16_t tpafe5160_read_bus(void);
/* ======================== 中断模式 API ======================== */
/*
* 函数功能：使能 BUSY EXTI 中断（运行时重使能用）
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：CubeMX 已完成 GPIO 和 NVIC 配置
* 函数说明：正常启动流程无需调用，仅在 irq_disable() 后需要重新使能时使用
*/
void tpafe5160_irq_enable(void);
/*
* 函数功能：关闭 BUSY EXTI 中断
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：已调用 tpafe5160_irq_enable()
* 函数说明：仅禁用 NVIC 中断，GPIO 配置保持 CubeMX 设定
*/
void tpafe5160_irq_disable(void);
/*
* 函数功能：启动转换（中断模式）
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：已调用 tpafe5160_irq_enable()
* 函数说明：产生 CONVST 脉冲，转换完成后由 EXTI 中断自动读取 8 通道数据
*/
void tpafe5160_start_conv_irq(void);
/*
* 函数功能：检查是否有新的转换数据
* 入口参数：无
* 返回值：1 - 数据就绪，0 - 无新数据
* 限定条件：中断模式已启用
* 函数说明：在 EXTI 回调中置位，主循环读取后需调用 tpafe5160_clear_ready() 清除
*/
uint8_t tpafe5160_data_ready(void);
/*
* 函数功能：清除数据就绪标志
* 入口参数：无
* 返回值：无
* 限定条件：中断模式已启用
* 函数说明：主循环处理完数据后调用
*/
void tpafe5160_clear_ready(void);
/*
* 函数功能：获取数据缓冲区指针
* 入口参数：无
* 返回值：int16_t[8] 数据缓冲区的 const 指针
* 限定条件：tpafe5160_data_ready() 返回 1 时调用
* 函数说明：缓冲区由 EXTI 回调写入，主循环只读
*/
const int16_t* tpafe5160_get_buf(void);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* __TPAFE5160_H */