因某項目需要，需要採集微弱的電壓信號，且對電壓精度要求較高，於是選中MCP3421這款18 bit 高精度IIC AD轉換晶元。本文將結合MCP3421的手冊，對該晶元的使用進行詳細解釋，並配合Proteus，完成基於MCP3421的模擬。 關鍵詞：MCP3421, Proteus，MSP430，... ...
0 摘要
因某項目需要，需要採集微弱的電壓信號，且對電壓精度要求較高，於是選中MCP3421這款18 bit 高精度IIC AD轉換晶元。本文將結合MCP3421的手冊，對該晶元的使用進行詳細解釋，並配合Proteus，完成基於MCP3421的模擬。
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
採集晶元：MCP3421
程式開發軟體： IAR7.10.1 for MSP430
模擬軟體：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採用IIC串列通訊協議，具有單通道、高精度（最高18bits）、差分輸入 A/D轉換器；片上精密基準參考電壓為2.048V。採用單電源供電（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介面
- 單電源供電 2.7V~5.5V
典型應用場合：
- 攜帶型儀錶
- 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 |
*代表上電覆位時的預設配置
所以，MCP3421上電後，如果未輸入新的配置信息時，系統的預設狀態為：
連續轉換模式；SPS為240 SPS，12bit；PGA為 1V/V
Bit7：
RDY:就緒標誌位
此位為數據就緒標誌。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 （預設） 。器件進行連續數據轉換。
0 = 單次轉換模式。器件進行單次轉換併進入低功耗待機模式，直至收到新的讀或寫命令
Bit3-2：
S1-S0：採樣率選擇位
00 = 240 sps （ 12 位） （預設）
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 （預設）
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寫入第一個位元組。包括器件地址和讀寫標誌位 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，預設為A2=A1=A0 = 0,如果需要掛接多個MCP3421，需要聯繫廠家進行自定義。
最後一位為讀寫標誌位，1為Read模式，0為Write模式。
所以實際寫入MCP3421的第一個位元組為 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 寫入第二個位元組（配置位元組）。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，清除數據就緒標誌位（RDY 位 = 0）然後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，按需觸發採集，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 |
註意：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 |
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