STM32-SPI3控制MCP3201、MCP3202（Sigma-Delta-ADC芯片）

STM32-SPI3控制MCP3201、MCP3202（Sigma-Delta-ADC芯片）

  • 原理图
  • 手册说明
  • 功能方框图
  • 引脚功能
  • 数字输出编码与实值的转换
    • 分辨率设置与LSB
    • 最小和最大输出代码（注）
  • 正负符号寄存器位MSB
    • 数字输出编码
    • 数据转换的LSB值
  • 将设备输出编码转换为输入信号电压计算
  • 片内寄存器
    • 配置寄存器
  • 采样与转换过程
  • 应用实例
    • 电压测量
    • 电流测量
  • 代码部分

原理图

在这里插入图片描述

手册说明

MCP3421是一个单通道低噪声、高精度的ΔΣA/D转换器，具有差分输入和高达18位的分辨率，在一个小型的SOT-23-6包中。机载精度2.048V参考电压使输入范围为±2.048V的差异（Δ电压= 4.096V）。该设备使用一个双线I2C兼容的串行接口，并操作从一个2.7V到5.5V的电源。
MCP3421设备以每秒3.75、15、60或240个样本（SPS）的速率执行转换，这取决于使用双线I2C串行接口的用户可控配置位设置。该装置具有一个机载可编程增益放大器（PGA）。用户可以在进行模数转换之前选择x1、x2、x4或x8的PGA增益。这允许MCP3421设备以高分辨率转换较小的输入信号。该设备有两种转换模式： (a)连续模式和(b)单次模式。在单次模式模式下，设备在单次转换后自动进入低电流待机模式。这大大减少了在空闲期间的电流消耗。

功能方框图

在这里插入图片描述

引脚功能

在这里插入图片描述

数字输出编码与实值的转换

分辨率设置与LSB

在这里插入图片描述
内部参考电压为2.048V

最小和最大输出代码（注）

在这里插入图片描述
最大n位编码 = 在这里插入图片描述
最小n位编码 = 在这里插入图片描述

正负符号寄存器位MSB

当MSB是逻辑“0”时，输入为正。当MSB是一个逻辑“1”时，输入是负的。
在这里插入图片描述
注：
1.MSB是一个符号寄存器位： 0：正输入（VIN+>VIN-）1：负输入(VIN+<VIN-）。
2.输出数据格式是二进制二的补充。

数字输出编码

在这里插入图片描述
ADC芯片输出的编码二进制数据，翻转计算可算出Vin

数据转换的LSB值

在这里插入图片描述
用户可编程位分辨率：12、14、16或18

将设备输出编码转换为输入信号电压计算

如果符号指示位（MSB）为“0”，则输入电压通过将输出码与LSB乘以，并除以PGA设置得到输入电压。如果符号指示器位（MSB）是“1”，则输出代码需要转换为2的补码，然后再乘以LSB并除以PGA设置。表4-4显示了将设备输出代码转换为输入电压的示例。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
公式需结合数字输出编码和数据转换的LSB值进行验算

片内寄存器

配置寄存器

开机后的默认配置
在这里插入图片描述
文字说明

这一位是数据准备就绪的标志。在读取模式下，此位表示输出寄存器是否已用最新的转换结果更新。在一次性转换模式下，将此位写入“1”将启动一个新的转换

如果在读取数据字节后（即在18位转换模式下的第5个字节之后）通过连续时钟重复读取配置字节，则RDY位的状态指示设备是否准备好了新的转换结果。当主服务器发现RDY位被清除时，它可以发送一个不承认（NAK）位和一个停止位来退出当前的读操作，并为最新的转换数据发送一个新的读命令。一旦读取了转换数据，准备位将切换到“1”，直到下一个新的转换数据准备就绪。每次完成新的转换时，输出寄存器中的转换数据将被覆盖。图5-3和图5-4显示了读取转换数据的示例。用户可以随时为一个新的设置重写配置字节。表5-1和表5-2给出了配置位操作的示例。

采样与转换过程

也就是说采样时间为1.5倍的CLK周期。在采样的过程中，器件内部的采样保持电容会收集输入通道的电荷，采样的模型图如下：

在这里插入图片描述

如上图所示，信号源阻抗Rss与MCP3201内部采样开关的阻抗Rs将直接影响给电容CSAMPLE充电所需的时间。因此，较大的信号源阻抗会增加转换的失调误差、增益误差和积分线性误差。

当采样结束后，打开转换器的输入开关，MCP3202将开始把内部采样保持电容收集的电荷产生一个12位的串行数字输出编码。MCP3202每收到一个时钟脉冲，就转换一位，共收到12个脉冲，刚好输出一个12位的输出编码值。

值得注意的是，如果时钟速率太慢，采样电容将在转换过程中释放电荷。在85度（最差条件）下，器件能保持采样电容在采样周期结束后至少1.2ms内不会释放电荷。也就是说，从采样周期结束到所有12个数据位都输出之间的时间不能超出1.2ms，即时钟频率要大于10KHz。若此条件得不到满足，就会导致线性误差超出额定规范值。

在整个转换周期内，只要满足时序上的时间最小值要求，对于时钟是否恒定和占空比并没有要求。

应用实例

电压测量

测量电池电压的电路如下图所示
在这里插入图片描述
对于微弱电压，可以使用内部可编程电路放大增益放大器(PGA)进行放大处理，增益高达到8。

测量的模拟输入电压，计算公式
在这里插入图片描述

电流测量

测量电流的电路如下图所示
在这里插入图片描述
测量电流，计算公式
在这里插入图片描述

代码部分

以STM32F103和标准库作为底板
main.c

#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"

#include "bsp_spi.h"

/************************************************
 ALIENTEK精英STM32开发板实验4
 串口 实验   
 技术支持：www.openedv.com
 淘宝店铺：http://eboard.taobao.com 
 关注微信公众平台微信号："正点原子"，免费获取STM32资料。
 广州市星翼电子科技有限公司  
 作者：正点原子 @ALIENTEK
************************************************/


 int main(void)
 {		
	
	delay_init();	    	 //延时函数初始化	  
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
	uart_init(115200);	 //串口初始化为115200

	Spi3_init();	
	 
/*
	实测HG-C1400激光传感器
	最大正数值204.0mm 对应电压为5.03V
	最大负数值-203.6mm 对应电压为0.003V
	总测试距离 204+203.6=407.6
	中间值为 407.6/2=203.8
	每0.1mm对应电压为 407.6/(4.997*0.012259) = 0.01226V
	分压电阻 0.01226/2=0.006129
*/
 	while(1)
	{
		
		printf("%f\n",(((float)Get_Adc_Average(8,255)*4.072/8191)/(0.01226))*1.9721-200.4);  //1.9721 为 分压 	200.4	为中间距离 以上通过线性回归 	 

		delay_ms(250);
		
	}	 
 }

bsp_spi.c

#include "bsp_spi.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"

 /**
  * 函数功能: SPI3_初始化
  * 输入参数: 
  * 返 回 值: 
  * 说    明：无
  */
void Spi3_init(void)
{
 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
	
	/* 使能GPIO和SPI时钟 */
 
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	SPI_SCK_CLK ,  ENABLE );//PORTB时钟使能 
	RCC_APB1PeriphClockCmd(	SPI_CLK ,  ENABLE );//SPI2时钟使能 	

	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable,ENABLE) ;
	
		/*将PA15弄成普通IO   */	
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  			//推挽输出 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_15);//使能器件  

  /* 配置SPI功能引脚：SCK 时钟引脚 */	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_SCK_PIN;;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  			 //复用推挽输出 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(SPI_SCK_PORT, &GPIO_InitStructure);         				 //初始化GPIO
	
	 /* 配置SPI功能引脚：MISO 主机输出从机输入引脚 */	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_MISO_PIN;;
  GPIO_Init(SPI_SCK_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
  /* 配置SPI功能引脚：MOSI 主机输入从机输出引脚 */	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_MOSI_PIN;;
  GPIO_Init(SPI_SCK_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	
  /* SPI外设配置 --NSS 引脚由软件控制以及 MSB 先行模式*/
  SPI_Cmd(SPI3, DISABLE); //失能能SPI外设
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  	//设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;													//设置SPI工作模式:设置为主SPI
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;											//设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;														//串行同步时钟的空闲状态为高电平
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;													//串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;															//NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;	//定义波特率预分频的值:波特率预分频值
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;										//指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;															//CRC值计算的多项式
  SPI_Init(SPI3, &SPI_InitStructure);  																	//根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
	
  /* 配置SPI功能引脚：CS 串行Flash片选引脚 */	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_CS_PIN;	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  			 							//推挽输出 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(SPI_SCK_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	/* 配置SPI所用的引脚：默认高电平 */	
	GPIO_SetBits(GPIOB,SPI_SCK_PIN|SPI_MISO_PIN|SPI_MOSI_PIN|SPI_CS_PIN);
	
	SPI_Cmd(SPI3, ENABLE); //使能SPI外设
}

 /**
  * 函数功能: SPI3_接收发送数据
  * 输入参数: 
  * 返 回 值: 
  * 说    明：无
  */
u8 Spi3_readwritebyte(u8 Txdata)
{		
	u8 retry=0;				 	
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI3, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //检查指定的SPI标志位设置与否:发送缓存空标志位
		{
		retry++;
		if(retry>200)return 0;
		}			  
	SPI_I2S_SendData(SPI3, Txdata); //通过外设SPIx发送一个数据
	retry=0;

	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI3, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) //检查指定的SPI标志位设置与否:接受缓存非空标志位
		{
		retry++;
		if(retry>200)return 0;
		}	  						    
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI3); //返回通过SPIx最近接收的数据					    
}


 /**
  * 函数功能: Mcp3202_接收数据
  * 输入参数: 
  * 返 回 值: Mcp3202_ADC_16位数据
  * 说    明：
  */
 int Mcp3202_read(void)
{
	u32 p;
	u16 Mcp3202_buffet[2]={0};
	CS_LOW;
	delay_us(5);
	Mcp3202_buffet[0] = Spi3_readwritebyte(0xFF);
	Mcp3202_buffet[1] = Spi3_readwritebyte(0xFF);
	CS_HIGH;
  p = (int)(((Mcp3202_buffet[0] << 8) | Mcp3202_buffet[1])&0xFFFF);
	return (p);
}

 /**
  * 函数功能: 排序取值
  * 输入参数: 1.要取得数值  2.要写入的排列数据多少
  * 返 回 值: 参数1的数组的值 
  * 说    明：无
  */
u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)
{
	unsigned char ii =0,nn=0;
	float adc_temp = 0;
	float ad_temp[255] ={0};
	for(ii=0;ii<times;ii++)
	{
		ad_temp[ii] =(float) Mcp3202_read();
	}
		for(ii=0;ii<times;ii++)
	{
		for(nn=0;nn<times;nn++)
		{
			if(ad_temp[nn] > ad_temp[nn+1])
			{
			adc_temp = ad_temp[nn];
				ad_temp[nn] = ad_temp[nn+1];
				ad_temp[nn+1] = adc_temp;
			}
		}
	}
	adc_temp = 0;
	adc_temp = ad_temp[ch];
	return adc_temp;
}

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