0 摘要
因某項目需要，需要采集微弱的電壓信號，且對電壓精度要求較高，於是選中MCP3421這款18 bit 高精度IIC AD轉換芯片。本文將結合MCP3421的手冊，對該芯片的使用進行詳細解釋，並配合Proteus，完成基於MCP3421的仿真。
關鍵詞：MCP3421, Proteus，MSP430，PT100，TCK，TCJ，TCE，AT89C51/AT89C52
1 所使用的工具
主控單元：MSP460F249
顯示模塊：LCD1602
采集芯片：MCP3421
程序開發軟件： IAR7.10.1 for MSP430
仿真軟件：Proteus 8.6
2 安裝包鏈接
Proteus 8.6
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1yAxgS7nuEd7MziVn-tSMuw
提取碼：civu
IAR
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1Uk6u6o8rXh5oXdv2yHBvHg
提取碼：fs2q
3 MCP3421介紹
MCP3421采用IIC串行通訊協議，具有單通道、高精度（最高18bits）、差分輸入 A/D轉換器；片上精密基准參考電壓為2.048V。采用單電源供電（2.7V-5.5V）。其主要特點如下：
- 封裝：SOT-23-6
- 差分輸入
- 具備自校正功能
-
片內參考電壓
- 精度：2.048V±0.05%
- 溫漂：15ppm/℃
-
可編程增益放大器
- PGA = 1V/V 2V/V 4V/V 8V/V
-
可編程速率位
- 3.75 SPS 18位 -131072~131071，最高位D17為符號位
- 15 SPS 16位
- 60 SPS 14位
- 240 SPS 12位
-
可編程轉換模式
- 單次轉換模式
- 連續轉換模式
- IIC接口
- 單電源供電 2.7V~5.5V
典型應用場合：
- 便攜式儀表
- 電子秤和電量計
- 使用RTD、熱敏電阻和熱電偶的溫度測量
- 測量壓力、張力和應變的電橋
MCP3421的框圖如圖3-1所示
圖3-1 MCP3421內部框圖
4 MCP3421寄存器介紹
| R/W-1 |
R/W-0 |
R/W-0 |
R/W-1 |
R/W-0 |
R/W-0 |
R/W-0 |
R/W-0 |
| RDY(低電平有效) |
C1 |
C0 |
O/C |
S1 |
S0 |
G1 |
G0 |
| 1* |
0* |
0* |
1* |
0* |
0* |
0* |
0* |
| Bit7 |
|
|
|
|
|
|
Bit0 |
*代表上電復位時的默認配置
所以，MCP3421上電后，如果未輸入新的配置信息時，系統的默認狀態為：
連續轉換模式；SPS為240 SPS，12bit；PGA為 1V/V
Bit7：
RDY:就緒標志位
此位為數據就緒標志。在讀模式，此位表示輸出寄存器是否被最新的轉換數據更新。在單次轉換模式 下，向此位寫入 1 將啟動一次新的轉換。
使用讀命令讀取 RDY 位：
1 = 輸出寄存器未更新
0 = 輸出寄存器被最新轉換結果更新
使用寫命令寫 RDY 位：
連續轉換模式：無影響
單次轉換模式：
1 = 開始一次新的轉換
0 = 無影響
Bit6-5:
C1-C0:MCP3421中無效
Bit4：
O/C:轉換模式位
1 = 連續轉換模式 （默認） 。器件進行連續數據轉換。
0 = 單次轉換模式。器件進行單次轉換並進入低功耗待機模式，直至收到新的讀或寫命令
Bit3-2：
S1-S0：采樣率選擇位
00 = 240 sps （ 12 位） （默認）
01 = 60 sps （14 位）
10 = 15 sps （16 位）
11 = 3.75 sps （18 位）
Bit1-0：
G1-G0： PGA 增益選擇位
00 = x1 （默認）
01 = x2
10 = x4
11 = x8
5 MCP3421配置方式
MCP3421寄存器的配置根據其寫命令來執行。寫操作對應的時序圖如圖5-1所示。
圖5-1 MCP3421寫操作時序圖
由圖5-1可以看出，MCP3421寫操作共包含以下幾個部分：
第一步：主器件發出啟動位 IIC_Start();
第二步：向MCP3421寫入第一個字節。包括器件地址和讀寫標志位 常規為0xd0。計算方法如下：
地址位格式如下：1 1 0 1 A2 A1 A0
其中A2、A1、和A0出廠就已經定義號好了，默認為A2=A1=A0 = 0,如果需要掛接多個MCP3421，需要聯系廠家進行自定義。
最后一位為讀寫標志位，1為Read模式，0為Write模式。
所以實際寫入MCP3421的第一個字節為 1101 0000 = 0xD0
第三步：主機等待MCP3421發出應答信號IIC_Wait_Ack()
第四步：向MCP3421 寫入第二個字節（配置字節）。進行寄存器的配置
不同配置方式的組合如下：
單次轉換共有以下幾種組合：
若選擇單次轉換模式，器件僅進行一次轉換，並更新輸出數據寄存器，清除數據就緒標志位（RDY 位 = 0）然后進入低功耗待機模式。當器件接收到新的寫命令，並RDY = 1 時，則開始新的單次轉換。
所以，使用MCP3421推薦系統工作在單次轉換模式下，按需觸發采集，可以降低系統功耗。
| 轉換模式 |
轉換速率 |
增益 |
RDY |
C1 |
C0 |
O/C |
S1 |
S0 |
G1 |
G0 |
|
| 單次轉換 |
240 SPS 12BIT
|
1V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0X80 |
| 2V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0X81 |
||
| 4V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0x82 |
||
| 8V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0x83 |
||
| 60 SPS 14BIT
|
1V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0x84 |
|
| 2V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0x85 |
||
| 4V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0x86 |
||
| 8V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0x87 |
||
| 15 SPS 16BIT
|
1V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0x88 |
|
| 2V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0x89 |
||
| 4V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0x8a |
||
| 8V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0x8b |
||
| 3.75 SPS 18BIT
|
1V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0x8c |
|
| 2V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0x8d |
||
| 4V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0x8e |
||
| 8V/V |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0x8f |
注意：由於在單次轉換模式下，通過置位RDY位可以啟動新的轉換，所以在讀取數據前，需要重新寫入該寄存器。否則無法開啟下次轉換。
連續轉換共有以下幾種組合：
| 轉換模式 |
轉換速率 |
增益 |
RDY |
C1 |
C0 |
O/C |
S1 |
S0 |
G1 |
G0 |
|
| 連續轉換 |
240 SPS 12BIT
|
1V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0X10/0x90 |
| 2V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0X11/0x91 |
||
| 4V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0x12/0x92 |
||
| 8V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0x13/0x93 |
||
| 60 SPS 14BIT
|
1V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0x14/0x94 |
|
| 2V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0x15/0x95 |
||
| 4V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0x16/0x96 |
||
| 8V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0x17/0x97 |
||
| 15 SPS 16BIT
|
1V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0x18/0x98 |
|
| 2V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0x19/0x99 |
||
| 4V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0x1a/0x9a |
||
| 8V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0x1b/0x9b |
||
| 3.75 SPS 18BIT
|
1V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0x1c/0x9c |
|
| 2V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0x1d/0x9d |
||
| 4V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0x1e/0x9e |
||
| 8V/V |
0/1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0x1f/0x9f |
注意：當連續模式下RDY模式位為1和為0均可以。
第五步：主機等待MCP3421發出應答信號IIC_Wait_Ack()
第六步：主機發送停止信號IIC_Stop()
參考配置代碼如下：
| void Write_MCP3421(unsigned char WR_Data) { IIC_Start(); IIC_SendByte(MCP3421_ADDREDD); // 1101 a2 a1 a0 0 發送給第一個字節數據 MCP3421地址字節+R/W命令 // 1101 0000 0xd0 IIC_Wait_Ack(); IIC_SendByte(WR_Data); //RDY O/C C1 C0 S1 S0 G1 G0
IIC_Wait_Ack(); IIC_Stop(); } |
6 MCP3421數據讀取
MCP3421數據讀取按照圖6-1、6-2所示的讀操作時序圖進行。其中6-1為18bit模式讀操作時序圖，6-2為12-16bit模式讀操作時序圖。在此僅對18bit模式讀操作時序圖進行分析，12-16bit的分析方法類似。
圖 6-1 18bits MCP3421讀操作時序圖
由圖6-1可以看出，MCP3421讀操作共包含以下幾個部分：
第一步：主機發送啟動信號，IIC_Start();
第二步：向MCP3421寫入第一個字節。包括器件地址和讀寫標志位 常規為0xd1。計算方法如下：
地址位格式如下：1 1 0 1 A2 A1 A0
其中A2、A1、和A0出廠就已經定義號好了，默認為A2=A1=A0 = 0,如果需要掛接多個MCP3421，需要聯系廠家進行自定義。
最后一位為讀寫標志位，1為Read模式，0為Write模式。
所以實際寫入MCP3421的第一個字節為 1101 0001 = 0xD1
第三步：主機等待MCP3421發出應答信號IIC_Wait_Ack()
第四步：讀取第二個數據字節，根據時序圖可以看出，其格式如下：
| D17 |
D17 |
D17 |
D17 |
D17 |
D17 |
D17 |
D16 |
所以，其前6位為重復數據，可以認為是無效位，D17是符號位，D17=1，采集到的Vin+ - Vin-小於0，D17=0，采集到的Vin+ - Vin-大於0，所以可以根據D17判斷輸入的數據正負
第五步：主機發送應答信號 IIC_Ack();
第六步：讀取第三個數據字節，讀取中間字節，其格式如下：
| D15 |
D14 |
D13 |
D12 |
D11 |
D10 |
D9 |
D8 |
第七步：主機發送應答信號 IIC_Ack();
第八步：讀取第四個數據字節，讀取數據位低八位，其格式如下
| D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
第九步：主機發送應答信號 IIC_Ack();
第十步：讀取第五個字節，讀取寄存器配置數據，其格式如下：
| RDY |
C1 |
C0 |
O/C |
S1 |
S0 |
G1 |
G0 |
第五個字節數據可忽略，不進行讀取。
第十一步：主機發送非應答信號，IIC_Nack()
最后一步：主機發送停止信號，IIC_Stop()
參考讀取代碼如下：
| IIC_Start(); IIC_SendByte(0xd1); //0xd1=0b11010001, 最后一位1表示單片機接收數據 IIC_Wait_Ack(); //MCP3421發出應答ACK信號 //讀取第二個字節數據 Upper Data Byte elech=(long int)IIC_ReadByte(); //NULL NULL NULL NULL NULL NULL D17 D16 IIC_Ack(); //主器件發出應答信號 //讀取第三個字節數據 Lower Data Byte elecm=(long int)IIC_ReadByte(); //D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8
IIC_Ack(); ////主器件發出應答信號
elecl=(long int)IIC_ReadByte(); //D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 IIC_Ack(); config = (long int)(IIC_ReadByte()); //RDY C1 C0 O/C S1 S0 G1 G0 IIC_NAck();// 停止接收 IIC_Stop(); |
圖 6-2 12-16bits MCP3421讀操作時序圖
7 MCP3421數據轉化
在分析數據轉換前，需要了解MCP3421數據存儲格式，然后才能將采集得到的數據進行正確轉換。
數字輸出代碼與輸入電壓和 PGA 設置成正比。輸出數據為二進制補碼格式。在這種編碼方式下， MSB 位可以作為符號位。當 MSB 為邏輯 0，表示為正值；當 MSB為邏輯 1，表示為負值。
輸出代碼與實際輸入電壓之間的關系如下：
輸出代碼 = （指定采樣速率下的最大代碼+1）*PGA * (Vin+ - Vin-)/LSB
其中不同采樣速率對應的最大代碼如下：
LSB對應的表達式如下：
LSB = 2*VREF/2^SPS=2*2.048V / 2^SPS
所以基於以上表述可以得到輸出電壓的計算表達式如下：
當MSB=0(輸入正電壓)
輸入電壓=（輸出代碼）* LSB /PGA
當MSB=1(輸入負電壓)
輸入電壓=（輸出代碼的二進制補碼） * LSB /PGA
以18bit采樣 PGA =1V/V為例數據轉化參考代碼如下：
| //開始進行數據轉化 AD_B_Result=(elech<<16)|(elecm<<8)|(elecl); //將三個數據進行整合，整合成一個24位的數據 LSB = (float)(2.0 * 2.048) / 262144; PGA = 8; if(AD_B_Result&0x020000) //符號位D17為1，代表測得的為負數 { AD_B_Result=AD_B_Result&0x01ffff; //由於數據elech的前6個字節沒有用，所以將其清零 AD_F_Result = -(float)(LSB * (AD_B_Result))/PGA; } else { AD_B_Result=AD_B_Result&0x03ffff; //由於數據elech的前6個字節沒有用，所以將其清零 AD_F_Result = (float)(LSB * AD_B_Result)/PGA; } |
AD_F_Result便為最終的輸出電壓，單位為V。
8 MCP3421使用仿真驗證
8.1 基於MSP430F249的MCP3421使用仿真結果
圖8-1 基於MSP430F249 PT100溫度采集系統
PT100經過惠更斯電橋計算得到mV級電壓接入MCP3421，然后MCP3421和MSP430F249通過IIC連接，采集結果通過LCD1602進行顯示。
仿真結果如圖8-2所示，其中電壓為惠更斯電橋的輸出電壓，溫度通過matlab擬合電壓和溫度之間的關系求得。
圖8-2 仿真結果
proteus中IIC Debug顯示的數據如圖8-3所示
圖8-3 IIC Debug數據
第一行： S D0 A 8C A P
啟動，發送D0（設備地址+R/W）,設備應答成功，發送8C（配置寄存器），設備應答成功，停止。
第二行：S D1 A 00 A 14 A A4 A 8C N P
啟動，發送D1(設備地址+R/W),設備應答成功，讀取第一個字節00，應答成功，讀取第二個字節14，應答成功，讀取第三個字節A4，應答成功，讀取第四個字節8C(配置信息)，發送非應答信號，停止
8.2 基於AT89C52的MCP3421使用仿真結果
圖8-3 基於AT89C52 熱電偶溫度采集系統
使用三個MCP3421，通過一個IIC連接至AT89C52，通過矩陣鍵盤實現對三個熱電偶溫度的測試。三個MCP3421的地址分別為：
| U6: 1101 000x |
讀模式：0xd1 寫模式：0xd0 |
| U7: 1101 001x |
讀模式：0xd3 寫模式：0xd2 |
| U8: 1101 100x |
讀模式：0xd9 寫模式：0xd8 |
圖8-4 K型熱電偶測量結果
圖8-5 IIC debug數據
圖8-6 E型熱電偶測量結果
圖8-7 IIC debug數據
圖8-8 J型熱電偶測量仿真結果
圖8-9 IIC Debug仿真結果
制作不易，如有錯誤或者不好理解的地方請及時留言
如需仿真源文件，請聯系EMAIL：whl1457139188@163.com
並添加QQ:975107705
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