0 摘要
因某项目需要，需要采集微弱的电压信号，且对电压精度要求较高，于是选中MCP3421这款18 bit 高精度IIC AD转换芯片。本文将结合MCP3421的手册，对该芯片的使用进行详细解释，并配合Proteus，完成基于MCP3421的仿真。
关键词：MCP3421, Proteus，MSP430，PT100，TCK，TCJ，TCE，AT89C51/AT89C52
1 所使用的工具
主控单元：MSP460F249
显示模块：LCD1602
采集芯片：MCP3421
程序开发软件： IAR7.10.1 for MSP430
仿真软件：Proteus 8.6
2 安装包链接
Proteus 8.6
链接：https://pan.baidu.com/s/1yAxgS7nuEd7MziVn-tSMuw
提取码：civu
IAR
链接：https://pan.baidu.com/s/1Uk6u6o8rXh5oXdv2yHBvHg
提取码：fs2q
3 MCP3421介绍
MCP3421采用IIC串行通讯协议，具有单通道、高精度（最高18bits）、差分输入 A/D转换器；片上精密基准参考电压为2.048V。采用单电源供电（2.7V-5.5V）。其主要特点如下：
- 封装：SOT-23-6
- 差分输入
- 具备自校正功能
-
片内参考电压
- 精度：2.048V±0.05%
- 温漂：15ppm/℃
-
可编程增益放大器
- PGA = 1V/V 2V/V 4V/V 8V/V
-
可编程速率位
- 3.75 SPS 18位 -131072~131071，最高位D17为符号位
- 15 SPS 16位
- 60 SPS 14位
- 240 SPS 12位
-
可编程转换模式
- 单次转换模式
- 连续转换模式
- IIC接口
- 单电源供电 2.7V~5.5V
典型应用场合：
- 便携式仪表
- 电子秤和电量计
- 使用RTD、热敏电阻和热电偶的温度测量
- 测量压力、张力和应变的电桥
MCP3421的框图如图3-1所示
图3-1 MCP3421内部框图
4 MCP3421寄存器介绍
| 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(低电平有效) |
C1 |
C0 |
O/C |
S1 |
S0 |
G1 |
G0 |
| 1* |
0* |
0* |
1* |
0* |
0* |
0* |
0* |
| Bit7 |
|
|
|
|
|
|
Bit0 |
*代表上电复位时的默认配置
所以，MCP3421上电后，如果未输入新的配置信息时，系统的默认状态为：
连续转换模式；SPS为240 SPS，12bit；PGA为 1V/V
Bit7：
RDY:就绪标志位
此位为数据就绪标志。在读模式，此位表示输出寄存器是否被最新的转换数据更新。在单次转换模式 下，向此位写入 1 将启动一次新的转换。
使用读命令读取 RDY 位：
1 = 输出寄存器未更新
0 = 输出寄存器被最新转换结果更新
使用写命令写 RDY 位：
连续转换模式：无影响
单次转换模式：
1 = 开始一次新的转换
0 = 无影响
Bit6-5:
C1-C0:MCP3421中无效
Bit4：
O/C:转换模式位
1 = 连续转换模式 （默认） 。器件进行连续数据转换。
0 = 单次转换模式。器件进行单次转换并进入低功耗待机模式，直至收到新的读或写命令
Bit3-2：
S1-S0：采样率选择位
00 = 240 sps （ 12 位） （默认）
01 = 60 sps （14 位）
10 = 15 sps （16 位）
11 = 3.75 sps （18 位）
Bit1-0：
G1-G0： PGA 增益选择位
00 = x1 （默认）
01 = x2
10 = x4
11 = x8
5 MCP3421配置方式
MCP3421寄存器的配置根据其写命令来执行。写操作对应的时序图如图5-1所示。
图5-1 MCP3421写操作时序图
由图5-1可以看出，MCP3421写操作共包含以下几个部分：
第一步：主器件发出启动位 IIC_Start();
第二步：向MCP3421写入第一个字节。包括器件地址和读写标志位 常规为0xd0。计算方法如下：
地址位格式如下：1 1 0 1 A2 A1 A0
其中A2、A1、和A0出厂就已经定义号好了，默认为A2=A1=A0 = 0,如果需要挂接多个MCP3421，需要联系厂家进行自定义。
最后一位为读写标志位，1为Read模式，0为Write模式。
所以实际写入MCP3421的第一个字节为 1101 0000 = 0xD0
第三步：主机等待MCP3421发出应答信号IIC_Wait_Ack()
第四步：向MCP3421 写入第二个字节（配置字节）。进行寄存器的配置
不同配置方式的组合如下：
单次转换共有以下几种组合：
若选择单次转换模式，器件仅进行一次转换，并更新输出数据寄存器，清除数据就绪标志位（RDY 位 = 0）然后进入低功耗待机模式。当器件接收到新的写命令，并RDY = 1 时，则开始新的单次转换。
所以，使用MCP3421推荐系统工作在单次转换模式下，按需触发采集，可以降低系统功耗。
| 转换模式 |
转换速率 |
增益 |
RDY |
C1 |
C0 |
O/C |
S1 |
S0 |
G1 |
G0 |
|
| 单次转换 |
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：由于在单次转换模式下，通过置位RDY位可以启动新的转换，所以在读取数据前，需要重新写入该寄存器。否则无法开启下次转换。
连续转换共有以下几种组合：
| 转换模式 |
转换速率 |
增益 |
RDY |
C1 |
C0 |
O/C |
S1 |
S0 |
G1 |
G0 |
|
| 连续转换 |
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：当连续模式下RDY模式位为1和为0均可以。
第五步：主机等待MCP3421发出应答信号IIC_Wait_Ack()
第六步：主机发送停止信号IIC_Stop()
参考配置代码如下：
| void Write_MCP3421(unsigned char WR_Data) { IIC_Start(); IIC_SendByte(MCP3421_ADDREDD); // 1101 a2 a1 a0 0 发送给第一个字节数据 MCP3421地址字节+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数据读取
MCP3421数据读取按照图6-1、6-2所示的读操作时序图进行。其中6-1为18bit模式读操作时序图，6-2为12-16bit模式读操作时序图。在此仅对18bit模式读操作时序图进行分析，12-16bit的分析方法类似。
图 6-1 18bits MCP3421读操作时序图
由图6-1可以看出，MCP3421读操作共包含以下几个部分：
第一步：主机发送启动信号，IIC_Start();
第二步：向MCP3421写入第一个字节。包括器件地址和读写标志位 常规为0xd1。计算方法如下：
地址位格式如下：1 1 0 1 A2 A1 A0
其中A2、A1、和A0出厂就已经定义号好了，默认为A2=A1=A0 = 0,如果需要挂接多个MCP3421，需要联系厂家进行自定义。
最后一位为读写标志位，1为Read模式，0为Write模式。
所以实际写入MCP3421的第一个字节为 1101 0001 = 0xD1
第三步：主机等待MCP3421发出应答信号IIC_Wait_Ack()
第四步：读取第二个数据字节，根据时序图可以看出，其格式如下：
| D17 |
D17 |
D17 |
D17 |
D17 |
D17 |
D17 |
D16 |
所以，其前6位为重复数据，可以认为是无效位，D17是符号位，D17=1，采集到的Vin+ - Vin-小于0，D17=0，采集到的Vin+ - Vin-大于0，所以可以根据D17判断输入的数据正负
第五步：主机发送应答信号 IIC_Ack();
第六步：读取第三个数据字节，读取中间字节，其格式如下：
| D15 |
D14 |
D13 |
D12 |
D11 |
D10 |
D9 |
D8 |
第七步：主机发送应答信号 IIC_Ack();
第八步：读取第四个数据字节，读取数据位低八位，其格式如下
| D7 |
D6 |
D5 |
D4 |
D3 |
D2 |
D1 |
D0 |
第九步：主机发送应答信号 IIC_Ack();
第十步：读取第五个字节，读取寄存器配置数据，其格式如下：
| RDY |
C1 |
C0 |
O/C |
S1 |
S0 |
G1 |
G0 |
第五个字节数据可忽略，不进行读取。
第十一步：主机发送非应答信号，IIC_Nack()
最后一步：主机发送停止信号，IIC_Stop()
参考读取代码如下：
| IIC_Start(); IIC_SendByte(0xd1); //0xd1=0b11010001, 最后一位1表示单片机接收数据 IIC_Wait_Ack(); //MCP3421发出应答ACK信号 //读取第二个字节数据 Upper Data Byte elech=(long int)IIC_ReadByte(); //NULL NULL NULL NULL NULL NULL D17 D16 IIC_Ack(); //主器件发出应答信号 //读取第三个字节数据 Lower Data Byte elecm=(long int)IIC_ReadByte(); //D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8
IIC_Ack(); ////主器件发出应答信号
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(); |
图 6-2 12-16bits MCP3421读操作时序图
7 MCP3421数据转化
在分析数据转换前，需要了解MCP3421数据存储格式，然后才能将采集得到的数据进行正确转换。
数字输出代码与输入电压和 PGA 设置成正比。输出数据为二进制补码格式。在这种编码方式下， MSB 位可以作为符号位。当 MSB 为逻辑 0，表示为正值；当 MSB为逻辑 1，表示为负值。
输出代码与实际输入电压之间的关系如下：
输出代码 = （指定采样速率下的最大代码+1）*PGA * (Vin+ - Vin-)/LSB
其中不同采样速率对应的最大代码如下：
LSB对应的表达式如下：
LSB = 2*VREF/2^SPS=2*2.048V / 2^SPS
所以基于以上表述可以得到输出电压的计算表达式如下：
当MSB=0(输入正电压)
输入电压=（输出代码）* LSB /PGA
当MSB=1(输入负电压)
输入电压=（输出代码的二进制补码） * LSB /PGA
以18bit采样 PGA =1V/V为例数据转化参考代码如下：
| //开始进行数据转化 AD_B_Result=(elech<<16)|(elecm<<8)|(elecl); //将三个数据进行整合，整合成一个24位的数据 LSB = (float)(2.0 * 2.048) / 262144; PGA = 8; if(AD_B_Result&0x020000) //符号位D17为1，代表测得的为负数 { AD_B_Result=AD_B_Result&0x01ffff; //由于数据elech的前6个字节没有用，所以将其清零 AD_F_Result = -(float)(LSB * (AD_B_Result))/PGA; } else { AD_B_Result=AD_B_Result&0x03ffff; //由于数据elech的前6个字节没有用，所以将其清零 AD_F_Result = (float)(LSB * AD_B_Result)/PGA; } |
AD_F_Result便为最终的输出电压，单位为V。
8 MCP3421使用仿真验证
8.1 基于MSP430F249的MCP3421使用仿真结果
图8-1 基于MSP430F249 PT100温度采集系统
PT100经过惠更斯电桥计算得到mV级电压接入MCP3421，然后MCP3421和MSP430F249通过IIC连接，采集结果通过LCD1602进行显示。
仿真结果如图8-2所示，其中电压为惠更斯电桥的输出电压，温度通过matlab拟合电压和温度之间的关系求得。
图8-2 仿真结果
proteus中IIC Debug显示的数据如图8-3所示
图8-3 IIC Debug数据
第一行： S D0 A 8C A P
启动，发送D0（设备地址+R/W）,设备应答成功，发送8C（配置寄存器），设备应答成功，停止。
第二行：S D1 A 00 A 14 A A4 A 8C N P
启动，发送D1(设备地址+R/W),设备应答成功，读取第一个字节00，应答成功，读取第二个字节14，应答成功，读取第三个字节A4，应答成功，读取第四个字节8C(配置信息)，发送非应答信号，停止
8.2 基于AT89C52的MCP3421使用仿真结果
图8-3 基于AT89C52 热电偶温度采集系统
使用三个MCP3421，通过一个IIC连接至AT89C52，通过矩阵键盘实现对三个热电偶温度的测试。三个MCP3421的地址分别为：
| U6: 1101 000x |
读模式：0xd1 写模式：0xd0 |
| U7: 1101 001x |
读模式：0xd3 写模式：0xd2 |
| U8: 1101 100x |
读模式：0xd9 写模式：0xd8 |
图8-4 K型热电偶测量结果
图8-5 IIC debug数据
图8-6 E型热电偶测量结果
图8-7 IIC debug数据
图8-8 J型热电偶测量仿真结果
图8-9 IIC Debug仿真结果
制作不易，如有错误或者不好理解的地方请及时留言
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