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MCP3421使用详解

發布時間：2023/12/19 综合教程 47 生活家

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 MCP3421使用详解小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

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，于是選中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，并配合Proteus，完成基于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；片上精密基準參考電壓為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。器件進行單次轉換并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，并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，并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：由于在單次轉換模式下，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

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_-小于0，D17=0，采集到的Vin₊ - Vin_-大于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

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

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

O/C

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

^{所以基于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;//由于數據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;//由于數據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 基于MSP430F249的MCP3421使用仿真結果

圖8-1 基于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 基于AT89C52的MCP3421使用仿真結果

圖8-3 基于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

并添加QQ:975107705

請注明MCP3421詳解以及需要的仿真文件（需付費購買）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的MCP3421使用详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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