基於STM32F103驅動CS1237 ADC模數轉換模塊採集差分信號詳情 - STM32單片機,ADC模數轉換模塊,CS1237模數轉換模塊,物聯網,yyds乾貨盤點優信電子博客

(文章目錄)

一、CS1237簡介

CS1237是一款高精度、低功耗Sigma-Delta模數轉換芯片，內置一路Sigma-Delta ADC，一路差分輸入通道和一路温度傳感器，ADC採用兩階sigma delta 調製器，通過低噪聲儀用放大器結構實現PGA放大，放大倍數可選：1、2、64、128。在PGA=128時，有效分辨率可達20位(工作在5V)。 CS1237內置RC振盪器，無需外置晶振。 CS1237可以通過DOUT DRDY/和SCLK進行多種功能模式的配置，例如用作温度檢測、PGA選擇、ADC數據輸出速率選擇等等。具有Power down模式。主要特性

供電電壓：3.3 / 5V
內置晶振
集成温度傳感器
帶Power down功能
2線SPI接口，最快速率為1.1MHz

ADC功能特性：

24位無失碼
PGA放大倍數可選：1、2、64、128
1路24位無失碼的差分輸入，在PGA=128時ENOB為20位(5V) \ 19.5位(3.3V)
P-P噪聲：PGA=128、10Hz：180nV；
INL小於0.0015%
輸出速率可選：10Hz、40Hz、640Hz、1.28kHz
帶內短功能

應用場景

工業過程控制
電子秤
液體/氣體化學分析
血液計
智能變換器
便攜式設備

二、引腳説明

DVDD	電源正極（3 - 5V）
DGND	電源負極
AVDD	基準源輸入正
AGND	基準源輸入負
SCLK	SPI時鐘輸入
DOUT	SPI數據輸入/輸出
A+	通道正輸入
A-	通道負輸入

基準源輸入説明：基準電壓可以由外部輸入也可是內部輸出，如果要使用外部基準電壓，要先關閉內部基準，內部基準控制由寄存器(refo_off)控制。

三、讀寫時序和數據輸出格式説明

讀寫參數配置過程簡述，在DOUT DRDY/由高變低之後：

第1個到第24個SCLK，讀取ADC數據。如果不需要配置寄存器或者讀取寄存器，可以省略下面的步驟。
第25個到第26個SCLK，讀取寄存器寫操作狀態。
第27個SCLK，把DOUT DRDY/輸出拉高。
第28個到第29個SCLK，切換DOUT DRDY/為輸入。
第30個到第36個SCLK，輸入寄存器寫或讀命令字數據(高位先輸入)。
第37個SCLK，切換DOUT DRDY/的方向(如果是寫寄存器，DOUT DRDY/為輸入；如果是讀寄存器，DOUT DRDY/為輸出)。
第38個到第45個SCLK，輸入寄存器配置數據或輸出寄存器配置數據(高位先輸入/輸出)。
第46個SCLK，切換DOUT DRDY/為輸出，並把DOUT DRDY/拉高。update1/ update2被置位或清零。

讀數據 CS1237可以持續的轉換模擬輸入信號，當將DOUT DRDY/拉低後，表明數據已經準備好接受，輸入的第一個SCLK來就可以將輸出的最高位讀出，在24個SCLK後將所有的24位數據讀出，如果這時暫停SCLK的發送，DOUT DRDY/會保持着最後一位的數據，直到其被拉高，第25和26個SCLK輸出配置寄存器是否有寫操作標誌，第25個SCLK對應的DOUT DRDY/為1時表明配置寄存器Config被寫入了新的值，第26個SCLK對應的DOUT DRDY/為芯片擴展保留位，目前輸出一直為0，通過第27個SCLK可以將DOUT DRDY/拉高，此後當DOUT DRDY/被再次拉低，表示新的數據已經準備好接受，進行下一個數據的轉換。

數據輸出格式 CS1237輸出的數據為24位的2進制補碼，最高位（MSB）最先輸出。最小有效位（LSB）為(0.5VREF/Gain)/(2^23-1)。正值滿幅輸出碼為7FFFFFH，負值滿幅輸出碼為800000H。下表為不同模擬輸入信號對應的理想輸出碼。根據上表可知，不同的增益，輸入信號Vin範圍也不同。

PGA	VIN+ - VIN-
1	±1.25V
2	±0.625V
64	±0.01953125V
128	±0.009765625V

注意：因為 CS1237 內部的前置放大器和 Σ-Δ 調製器都需要一個共模電壓範圍 (Vcm)，所以輸入信號要滿足以下三個條件，有一個條件不符合，輸出可能就會不正常。差分電壓：|AIN+ - AIN-| ≤ Vref / 2 x Gain。共模電壓：Vcm = (AIN+ + AIN-) / 2，Vcm最好接近Vref / 2。 AIN+，AIN-的輸入電壓：DGND ≤ AINx ≤ DVDD。

四、寄存器説明

讀寫參數配置，需要通過7bits 命令字去配置。 CS1237只有一組Config寄存器

五、電壓和温度換算

電壓的換算： CS1237 是 24 位ADC，輸出 24 位補碼格式的數據，代表輸入的差分電壓：Vin(diff)=AIN+ − AIN−。其輸出碼值範圍為：正滿量程：理論輸出碼為+8,388,607 (0x7FFFFF)，對應輸入電壓為+Vref / 2x增益。負滿量程：理論輸出碼為-8,388,608 (0x800000)，對應輸入電壓為-Vref / 2x增益。即換算有符號的數據公式：Vin(diff)=輸出碼值 / 2^23 x Vref / 2x增益。

温度的換算：測量內部温度時，需要先校準再測量，芯片沒有出廠校準，必須用兩個已知温度點進行標定。注意：測量温度時，AIN+、AIN- 對外引腳無效，即採集不了輸入信號。

六、STM32F103驅動CS1237

準備工作

STM32F103C8T6最小系統板，CS1237 ADC模數轉換模塊，OLED顯示模塊等

接線説明

STM32F103	CS1237
3.3V	DVDD
GND	DGND
PA0	SLCK
PA1	DOUT
PB8	OLED->SLC
PB9	OLED->SDA
A + - A-	差分信號

示例代碼

CS1237.c

#include "cs1237.h"

void CS1237_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
}

void CS1237_DOUT_Input(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

void CS1237_DOUT_Output(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

int8_t CS1237_WirteByte(uint8_t data)  //寫配置
{
	uint8_t i;
	uint32_t t=0;
	
	CS1237_DOUT_Input();
	
	while (DOUT_READ != 0)		//超時
	{
		if((t += 5) > CS1237_DEFAULT_TIMEOUT_US)
			return -1;
	}
	
	for (i = 0; i < 26; i++) {	//1-26 SCLK
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }
	
	CS1237_DOUT_Output();	//27 SCLK
	CS1237_DOUT_H 
	CS1237_SCLK_H
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
		
	for (i = 0; i < 2; i++) {	//28-29 SCLK
		CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2); 
    }
	
	for (i = 0; i < 7; i++) {	//30-36 SCLK
        if (CS1237_WRITE_REG & (0x40 >> i)) CS1237_DOUT_H  
        else CS1237_DOUT_L
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
		CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }
		
	CS1237_SCLK_H		//37 SCLK
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
	
	for (i = 0; i < 8; i++) {	//38-45 SCLK
        if (data & (0x80 >> i)) CS1237_DOUT_H
        else CS1237_DOUT_L
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
		CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }

	CS1237_DOUT_H
	CS1237_DOUT_Input();	//46 SCLK
	CS1237_SCLK_H
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
	
	return 0;
}

int8_t CS1237Reg(uint8_t *out)  //讀配置
{ 
	uint8_t i;
	uint32_t t=0;
	uint8_t Data = 0x00;
	
	CS1237_DOUT_Input();
	
	while (DOUT_READ != 0)	//超時
	{
		if((t += 5) > CS1237_DEFAULT_TIMEOUT_US)
			return -1;
	}
	
	for (i = 0; i < 26; i++) {	//1-26 SCLK
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }
	
	CS1237_DOUT_Output();	
	CS1237_DOUT_H
	CS1237_SCLK_H	//27 SCLK
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
		
	for (i = 0; i < 2; i++) {	//28-29 SCLK
		CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2); 
    }

	for (i = 0; i < 7; i++) {	//30-36 SCLK
        if (CS1237_READ_REG & (0x40 >> i)) CS1237_DOUT_H  
        else CS1237_DOUT_L
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
		CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }
	
	CS1237_DOUT_Input(); //37 SCLK
	CS1237_SCLK_H
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
	
	for (i = 0; i < 8; i++) {	//38-45 SCLK
		CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        Data = ((Data << 1) | (DOUT_READ ? 1 : 0));
		CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }

	CS1237_DOUT_Output();
	CS1237_DOUT_H
	CS1237_SCLK_H
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
	
	*out = Data;
	
	return 0;
}

int8_t CS1237_ReadRaw24(int32_t *signed_out)
{
    uint8_t i;
    uint32_t raw = 0;
    uint32_t t = 0;

    CS1237_DOUT_Input();
	
	while (DOUT_READ != 0)	//超時
	{
		Delay_us(2);
		if((t += 10) > CS1237_DEFAULT_TIMEOUT_US)
			return -1;
	}

    for (i = 0; i < 24; i++) {
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        raw = (raw << 1) | (DOUT_READ ? 1 : 0);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }

    for (i = 0; i < 2; i++) {
		CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2); 
    }

    raw &= 0xFFFFFFUL;
    if (raw & (1UL << 23)) *signed_out = (int32_t)(raw | 0xFF000000UL);
    else *signed_out = (int32_t)raw;

    return 0;
}

float CS1237_Temperature(uint32_t Yb)
{
	int8_t error;
	float tempB;
	
	error = CS1237_WirteByte(0x02);
	
	if(error != 0)	OLED_ShowString(4, 1, "ERROR3");
	
	tempB = ((float)Yb * (273.15f + CS1237_TEMPA)) / ((float)CS1237_YA - 273.15f);  //單位℃
	
	return tempB;
}

main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "oled.h"
#include "cs1237.h"

uint8_t status;
int32_t val;
float diff_V, Temp;
uint8_t gain_table[4] = {1, 2, 64, 128};	//設置不同增益，輸入差分範圍也不一樣，1：±1.25V；2：±0.625V；64：±0.01953125V；128：±0.009765625V

int main(void)
{
	OLED_Init();
	CS1237_Init();
	Delay_ms(100);
	
	OLED_ShowString(1, 1, "CS1237");
	OLED_ShowString(3, 4, "000.000V");
//	OLED_ShowString(4, 4, "0000.00");	//温度顯示
	
	CS1237_WirteByte(0x00);
	Delay_ms(100);
	
	if(CS1237Reg(&status) == 0)
	{
		OLED_ShowString(1, 10, "0x");
		OLED_ShowHexNum(1,12,status,2);
	}else{
		OLED_ShowString(1, 10, "ERROR1");
	}
	
	while (1)
	{
        if (CS1237_ReadRaw24(&val) == 0) {
//            OLED_ShowSignedNum(4,1,val,7);
//			
			diff_V = ((float)val / 8388607.0f) * (1.25f / (float)gain_table[(status>>2) & 0x03]);
			
			OLED_ShowSignedFloat(3,4,diff_V,2,3);
			Delay_ms(100);
        } else {
            OLED_ShowString(3,4," ERROR2 ");
        }
		
		//温度檢測
//		Temp = CS1237_Temperature(val);
//		OLED_ShowSignedFloat(4,4,Temp,3,2);
//		Delay_ms(100);
	}
}

效果展示

圖一：A+接1.2V，A-接1.496V；圖二：A+接1.815V，A-接1.2V。

七、常見問題説明

Q：CS1237/CS1238 主要適用領域有哪些？ A：CS1237/CS1238是針對橋式傳感器的低成本解決方案。一般應用於稱重測量、壓力測量等細分領域。如下圖所示：

Q：除了橋式傳感器，CS1237/CS1238 還適用於其它應用領域嗎？ A：取決於 AINP/AINN 端口的差分信號範圍以及共模電壓範圍是否滿足 Datasheet 的要求。如下圖所示：

Q：CS1237/CS1238 是否有單次轉換模式？ A：否。CS1237/CS1238 只有連續轉換模式。

Q：CS1237/CS1238 是否可以單端輸入模式（AINN 接地）？ A：如問題 2 所述，輸入信號需要滿足共模與差模範圍，一般情況下不建議單端輸入的應用使用該系列產品。當 PGA=64/128 時，不允許 AINP 或 AINN 直接接地，否則測量信號異常；當PGA=1/2 時，由於 Buffer 開啓的緣故，單端輸入阻抗不宜太大（建議前端電路的輸出阻抗幾十歐姆以下），否則會影響線性。

Q：CS1237/CS1238 的工作電壓範圍是多少？為什麼數據手冊裏面描述 4.5-5.5V、3.0V-3.6V 的？ A： 1、工作電壓範圍是 2.7V~5.5V。 2、數據手冊描述的是兩個典型電壓值（5V/3.3V）的工作電流，並不是只能工作在這兩個電壓區間。

Q：CS1237/CS1238 上電默認配置是什麼？ A：上電默認配置是 PGA=128、DataRate=10Hz。

Q：CS1237/CS1238 的外置參考電壓是否可以高於 VDD？ A：不可以。外置參考電壓需滿足條件：REFIN=1.5V~VDD。舉例：橋式傳感器的應用不允許傳感器激勵源以及參考輸入使用 5.0V，而 VDD 使用 3.3V。

Q：在橋式傳感器應用裏，為什麼 REFIN 與 REFOUT 連在一起？ A：使用傳感器的激勵源作為 ADC 的參考源，（橋式傳感器應用）可以有效抑制漂移，降低系統對參考源的要求。其中 REFIN 為參考源輸入，REFOUT 為傳感器激勵源。對於一般應用，兩者通常連在一起，可以通過 REFOUT 引腳控制激勵源的開啓/關閉。如果系統使用外部激勵源/參考源，則懸空 REFOUT 引腳即可，因此並不規定 REFIN 引腳必須與REFOUT 引腳連在一起。

Q：CS1237/CS1238 是否內置參考電壓源？ A：否。CS1237/CS1238 的 REFOUT 引腳輸出的激勵信號為 VDD，起到控制激勵源的作用。如有必要可以進入休眠模式，關閉激勵源節省橋式傳感器功耗。如下圖所示： Q：實際應用中，多個稱重傳感器應該怎麼與 ADC 連接？ A：如果傳感器是測量同一物體（例如：廚房垃圾處理器），一般建議使用並聯的方式。則相同類型的信號線連接在一起。對於傳感器的要求是產品規格儘量一致，尤其是靈敏度需要一致，否則會導致偏載問題。如果使用 REFOUT 引腳輸出 VS，需要注意傳感器的激勵電流是否在合理範圍內。舉例：如果系統不是測量同一個物體，則傳感器單獨連接不同的模擬通道或不同的 ADC。

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