數字儀表設計-高分辨率模擬數字轉換器應用

　　一、 前言：

　　在電子磅秤或溫度量測應用中，常會需要較高分辨率模擬到數字轉換器(Analog-to-Digital Converter;ADC)來量測模擬信號量化組件。而當提到高分辨率模擬到數字轉換器，都會聯想到ADI、Intersil、Maxim、Microchip、LTC、TI等國外大廠，但是這些國外的組件給人的印象就是單價高、交期長;對于工業控制及儀表的應用而言產品的單價，以模擬到數字轉換器占較多。隨著模擬集成電路成熟，各廠家分別生產架構為Σ-Δ或雙斜率的模擬到數字轉換器。以纮康科技為例，該公司所生產轉換器皆為Σ-Δ架構，有HY310x/HY311x系列Σ-Δ 24位高分辨率模擬數字轉換器、HY11Pxx系列具有高分辨率模擬數字轉換器的混合信號處理器(Mixed-Signal Microcontroller)，及具有數字復用表模擬前端(Analog Front End)的專用芯片HY12P65。

　　本文將以HY3106為應用，它除為Σ-Δ 24位模擬到數字轉換器，并內建可程序放大器、溫度傳感器等外圍。

　　二、 HY310x功能簡介：

　　HY3106/HY3104/HY3102功能簡介：

　　1. 工作電壓范圍: 2.4V to 3.6V

　　2. 工作溫度范圍: -40℃ to +85℃

　　3. 內建VDDA穩壓器,可選擇Off, 2.4V, 2.7V, 3.0V或3.3V

　　4. 外部/內部頻率源

　　5. SPI 數據傳輸接口

　　6. 內置絕對溫度傳感器(±2℃)

　　7. SSOP16 封裝

　　8. 內建4種輸入模式切換(正向輸入、下短路、上短路、交錯)

　　9. 內建直流偏壓設置，可選擇0,±1/8,±1/4 , ±3/8, ±1/2,±5/8, ±3/4, ±7/8倍VREF的偏置電壓

　　10. 24位全差動輸入ΣΔADC模擬數字轉換器

　　u 極小的輸入噪聲50nVrms

　　u 數據輸出速率10, 80, 640或2560SPS

　　u 可抑制50/60Hz的訊號

　　u 在參考端內置高阻抗輸入緩沖器

　　11. 工作電流:

　　u 300μA @ gain=1, 2 or 4

　　u 950μA @ gain=64, 128

　　12. 低Sleep電流，約0.65μA(ENADC=0)

　　13. 內建前置放大器(PGA),可程序放大倍率x1, x2, x4, x8, x16, x32, x64, x128

　　▲ HY310x內部功能方塊圖

　　三、 HY310x傳輸協議：

　　HY310x之SPI傳輸協議可分成兩種：

　　1. 單筆數據讀寫模式-在此模式，首先必須輸出Command，接下再寫入或讀取緩存器數據。

　　▲ Write Register and Read Register

　　2. 連續讀取模式-在此模式，首先必須輸出NCR(No Command for Read) Command，接下微控制等IRQ中斷信號，再讀取轉換數據緩存器。

　　▲ Continuous read mode

　　命令格式，分為讀寫控制、指定讀寫緩存器地址、NCR控制。

　　▼ SPI Command Format

　　緩存器可分為設定及轉換數據緩存器。

　　▼ Register List(Setting)

　　▼ Register List(Data)

　　四、 電路圖：

　　
????????? 五、 程序行表：

　　/*******************************************************************************

　　* main.c

　　* -----------------------------------------------------------------------------

　　* Copyright 2012 Hycon Technology, Corp.

　　* http://www.hycontek.com/

　　*

　　* Release 1.0

　　* 12/12/2012

　　*

　　* Program Description:

　　* --------------------

　　* C8051F330

　　* ---------

　　* | ------------------

　　* P0.7 | SCL (SMBus) ---> SCK | LCD Drive HY2613 |

　　* P0.6 | SDA (SMBus) ---> SDA ------------------

　　* P0.5 | RX0 (UART0) <---

　　* P0.4 | TX0 (UART0) --->

　　* | ------------------

　　* P0.3 | NSS (SPI0) ---> CS | |

　　* P0.2 | MOSI (SPI0) ---> SDI | Data Converters |

　　* P0.1 | MISO (SPI0) <--- SDO | HY3106 |

　　* P0.1 | SCK (SPI0) ---> SCK | |

　　* GND | ------------------

　　* |

　　* ---------

　　******************************************************************************/

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// Includes

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　#include // compiler declarations

　　#include // SFR declarations

　　#include

　　#include

　　#include

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// Global CONSTANTS

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　#define SYSCLK 24500000 // SYSCLK frequency in Hz

　　#define SPI_CLOCK 500000 // The SPI clock is a maximum of 500 kHz

　　#define SMB_FREQUENCY 10000 // Target SCL clock rate

　　// This example supports between 10kHz

　　// and 100kHz

　　#define WRITE 0x00 // SMBus WRITE command

　　#define READ 0x01 // SMBus READ command

　　// Status vector - top 4 bits only

　　#define SMB_MTSTA 0xE0 // (MT) start transmitted

　　#define SMB_MTDB 0xC0 // (MT) data byte transmitted

　　#define SMB_MRDB 0x80 // (MR) data byte received

　　// End status vector definition

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// Global Variables

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　extern bit Sec1s_Flag; // 1Sec Flag

　　extern bit Sec20ms_Flag; // 20mSec Flag

　　extern bit ADC_Done_Flag; // Flag

　　extern unsigned char x20ms; // 設定1秒=50x20ms

　　extern unsigned char Delay_20ms;

　　unsigned long ADC0_Buffer;

　　unsigned long ADC1_Buffer;

　　unsigned long TS_Buffer;

　　unsigned char Tx_Data[25];

　　unsigned char TARGET; // Target SMBus slave address

　　bit SMB_BUSY; // Software flag to indicate when the

　　// SMB_Read() or SMB_Write() functions

　　// have claimed the SMBus

　　unsigned char SMB_RW; // Software flag to indicate the

　　// direction of the current transfer

　　unsigned long NUM_ERRORS; // Counter for the number of errors.

　　unsigned char NUM_BYTES_WR; // Number of bytes to write

　　// Master -> Slave

　　unsigned char Data_Buffer[18]={0};

　　sbit MISO = P0^1;

　　sbit MOSI = P0^2;

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// Function PROTOTYPES

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　void System_Initial (void);

　　void HY3106_Initial(void);

　　void Read_ADC(void);

　　void Read_ADC1(void);

　　void Display (void);

　　void delay(void);

　　void ClearLCDframe(void);

　　void DisplayHYcon(void);

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// MAIN Routine

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　void main (void)

　　{

　　System_Initial();

　　EA = 1; // Global enable 8051 interrupts

　　Ini_Display(); // Set and Clear LCD form

　　ClearLCDframe();

　　DisplayHYcon();

　　EA = 0; // Global disable 8051 interrupts

　　while(1);

　　HY3106_Initial();

　　delay();

　　EA = 1; // Global enable 8051 interrupts

　　Delay_20ms=25;

　　while(Delay_20ms!=0); // Wait 500mS

　　ADC_Done_Flag=0;

　　NSSMD0 = 0; // Step1: Activate Slave Select

　　Read_ADC();

　　//----------------------------------

　　// Main Application Loop

　　//----------------------------------

　　while (1) // Loop and wait for interrupts

　　{

　　if (Sec20ms_Flag == 1)

　　{

　　Display();

　　Sec20ms_Flag = 0;

　　}

　　if(MISO==0)

　　{

　　Read_ADC1();

　　ADC_Done_Flag=0;

　　Delay_20ms=5;

　　while(Delay_20ms!=0); // Wait 100mS

　　}

　　}

　　}

　　/*----------------------------------------------------------------------------*/

　　/* Clear LCD RAM Data */

　　/*----------------------------------------------------------------------------*/

　　void ClearLCDframe(void)

　　{

　　unsigned char Index=0;

　　for(Index=0;Index<18;Index++)

　　{

　　Data_Buffer[Index]=0x00;

　　}

　　RAM2LCD(Data_Buffer,18);

　　}

　　/*----------------------------------------------------------------------------*/

　　/* Inital the LCD Drive */

　　/*----------------------------------------------------------------------------*/

　　void Ini_Display(void)

　　{

　　Tx_Data[0] = ICSET|SWRst|OscModeInt; //ICSET equ 0EAh

　　Tx_Data[1] = DISCTL|PoMode3|FrInv|PoHigh; //DISCTL equ 0BFh

　　Tx_Data[2] = ADSET; //ADSET equ 000h

　　Tx_Data[3] = ADSET; //ADSET equ 000h

　　NUM_BYTES_WR=4;

　　TARGET = HY2613_Slave_addr; // Target the HY2613(0x7C) Slave for next

　　// SMBus transfer

　　while (SMB_BUSY); // Wait for SMBus to be free.

　　SMB_BUSY = 1; // Claim SMBus (set to busy)

　　SMB_RW = 0; // Mark this transfer as a WRITE

　　STA = 1; // Start transfer

　　while (SMB_BUSY); // Wait for transfer to complete

　　}

　　/*----------------------------------------------------------------------------*/

　　/* RAM Data Send to LCD */

　　/*----------------------------------------------------------------------------*/

　　void RAM2LCD(unsigned char *Buffer_Adr, unsigned char length)

　　{

　　Tx_Data[0] = DISCTL|PoMode3|FrInv|PoHigh; //

　　Tx_Data[1] = BLKCTL; //0xf0

　　Tx_Data[2] = PIXCTL; //0xfc

　　Tx_Data[3] = MODE_SET|Dis_ON; //0xc8

　　Tx_Data[4] = ADSET; //0x00

　　NUM_BYTES_WR=5;

　　for(;length>0;length--)

　　{

　　Tx_Data[NUM_BYTES_WR] = *Buffer_Adr++;

　　NUM_BYTES_WR++;

　　}

　　TARGET = HY2613_Slave_addr; // Target the HY2613(0x7C) Slave for next

　　// SMBus transfer

　　while (SMB_BUSY); // Wait for SMBus to be free.

　　SMB_BUSY = 1; // Claim SMBus (set to busy)

　　SMB_RW = 0; // Mark this transfer as a WRITE

　　STA = 1; // Start transfer

　　while (SMB_BUSY); // Wait for transfer to complete

　　}

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// Measure Analog Value

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　void Read_ADC(void)

　　{

　　unsigned char buffer;

　　// SPI Command

　　NSSMD0 = 0; // Step1: Activate Slave Select

　　Delay_20ms=25;

　　while(Delay_20ms!=0); // Wait 500mS

　　while(MISO==1);

　　buffer= Read_Reg|ADC0_Register|NCR;

　　SPI0DAT =buffer; // Step2: Send command

　　while (!SPIF); // Step3: Wait for end of transfer

　　SPIF = 0; // Step4: Clear the SPI intr. flag

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　delay();

　　}

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// Measure Analog Value

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　void Read_ADC1(void)

　　{

　　unsigned char buffer;

　　// SPI Command

　　NSSMD0 = 0; // Step1: Activate Slave Select

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　buffer =SPI0DAT;

　　ADC0_Buffer=buffer;

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　buffer =SPI0DAT;

　　ADC0_Buffer=(ADC0_Buffer<<8)+buffer;

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　buffer =SPI0DAT;

　　ADC0_Buffer=(ADC0_Buffer<<8)+buffer;

　　delay();

　　}

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// HY3106 Initialization

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　void HY3106_Initial(void)

　　{

　　unsigned char buffer;

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// SPI Command

　　NSSMD0 = 0; // Step1: Activate Slave Select

　　buffer= Write_Reg|SYS_Register;

　　SPI0DAT =buffer; // Step2: Send command

　　while (!SPIF); // Step3: Wait for end of transfer

　　SPIF = 0; // Step4: Clear the SPI intr. flag

　　//System Configuration Setting

　　buffer= INOSC|LDO_2V4|ENLDO|REFOS|SDOH|CH1;

　　SPI0DAT =buffer; // Step2: Send command

　　while (!SPIF); // Step3: Wait for end of transfer

　　SPIF = 0; // Step4: Clear the SPI intr. flag

　　NSSMD0 = 1; // Step5: Deactivate Slave Select

　　delay();

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// SPI Command

　　NSSMD0 = 0; // Step1: Activate Slave Select

　　buffer= Read_Reg|SYS_Register;

　　SPI0DAT =buffer; // Step2: Send command

　　while (!SPIF); // Step3: Wait for end of transfer

　　SPIF = 0; // Step4: Clear the SPI intr. flag

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　Data_Buffer[0] =SPI0DAT;

　　NSSMD0 = 1; // Step5: Deactivate Slave Select

　　delay();

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// SPI Command

　　NSSMD0 = 0; // Step1: Activate Slave Select

　　buffer= Write_Reg|ADC_Register;

　　SPI0DAT =buffer; // Step2: Send command

　　while (!SPIF); // Step3: Wait for end of transfer

　　SPIF = 0; // Step4: Clear the SPI intr. flag

　　//ADC Control Register Setting 1

　　buffer = DCSET0|INX0|ADGN1;

　　SPI0DAT =buffer; // Step2: Send command

　　while (!SPIF); // Step3: Wait for end of transfer

　　SPIF = 0; // Step4: Clear the SPI intr. flag

　　//ADC Control Register Setting 2

　　buffer = PGA1|FRb0|OSR_10|ADCEN;

　　SPI0DAT =buffer; // Step2: Send command

　　while (!SPIF); // Step3: Wait for end of transfer

　　SPIF = 0; // Step4: Clear the SPI intr. flag

　　NSSMD0 = 1; // Step5: Deactivate Slave Select

　　delay();

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// SPI Command

　　NSSMD0 = 0; // Step1: Activate Slave Select

　　buffer= Read_Reg|ADC_Register;

　　SPI0DAT =buffer; // Step2: Send command

　　while (!SPIF); // Step3: Wait for end of transfer

　　SPIF = 0; // Step4: Clear the SPI intr. flag

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　Data_Buffer[1] = SPI0DAT;

　　SPI0DAT = 0xFF; // Dummy write to output serial clock

　　while (!SPIF); // Wait for the value to be read

　　SPIF = 0;

　　Data_Buffer[2] = SPI0DAT;

　　NSSMD0 = 1; // Step5: Deactivate Slave Select

　　delay();

　　}

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// Display Digits Application Code

　　// Update the LCD Display

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　void Display(void)

　　{

　　char LCD_ADDR;

　　unsigned long buffer;

　　buffer=ADC0_Buffer/3.4;

　　for(LCD_ADDR=2;LCD_ADDR<8;LCD_ADDR++)

　　{

　　Data_Buffer[LCD_ADDR] = seg[buffer % 10];

　　buffer = buffer / 10;

　　}

　　RAM2LCD(Data_Buffer,18);

　　}

　　/*----------------------------------------------------------------------------*/

　　/* Display HYcon Char */

　　/*----------------------------------------------------------------------------*/

　　void DisplayHYcon(void)

　　{

　　Data_Buffer[2]=0x00;

　　Data_Buffer[3]=Char_H;

　　Data_Buffer[4]=Char_Y;

　　Data_Buffer[5]=Char_c;

　　Data_Buffer[6]=Char_o;

　　Data_Buffer[7]=Char_n;

　　RAM2LCD(Data_Buffer,11);

　　}

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// Peripheral specific initialization functions,

　　// Called from the Init_Device() function

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　void System_Initial()

　　{

　　//PCA_Init()

　　PCA0MD &= ~0x40; // WDTE = 0 (clear watchdog timer enable)

　　PCA0MD = 0x00;

　　// Oscillator_Init()

　　OSCICN = 0x83; // Internal H-F Oscillator Enabled.

　　// SYSCLK derived from Internal H-F Oscillator divided by 1.

　　// Init Timer2 to generate interrupts at a 50 Hz rate.

　　TMR2CN = 0x00; // Stop Timer2; Clear TF2; use SYSCLK/12 as timebase

　　CKCON &= ~0x60; // Timer2 clocked based on T2XCLK;

　　TMR2RL = -(SYSCLK / 12 / 50); // Init reload values

　　TMR2 = 0xffff; // set to reload immediately

　　ET2 = 1; // enable Timer2 interrupts

　　TR2 = 1; // start Timer2

　　// Configure Timer1 for use as SMBus clock source

　　#if ((SYSCLK/SMB_FREQUENCY/3) < 255)

　　#define SCALE 1

　　CKCON |= 0x08; // Timer1 clock source = SYSCLK

　　#elif ((SYSCLK/SMB_FREQUENCY/4/3) < 255)

　　#define SCALE 4

　　CKCON |= 0x01;

　　CKCON &= ~0x0A; // Timer1 clock source = SYSCLK / 4

　　#endif

　　TMOD = 0x20; // Timer1 in 8-bit auto-reload mode

　　// Timer1 configured to overflow at 1/3 the rate defined by SMB_FREQUENCY

　　TH1 = -(SYSCLK/SMB_FREQUENCY/SCALE/3);

　　TL1 = -(SYSCLK/SMB_FREQUENCY/SCALE/3); // Init Timer1

　　TR1 = 1; // Timer1 enabled

　　// Configure and enable SMBus

　　SMB0CF = 0x5D; // Use Timer1 overflows as SMBus clock

　　// source;

　　// Disable slave mode;

　　// Enable setup & hold time extensions;

　　// Enable SMBus Free timeout detect;

　　// Enable SCL low timeout detect;

　　SMB0CF |= 0x80; // Enable SMBus;

　　//EIE1 |= 0x01; // Enable the SMBus interrupt

　　//SPI_Init

　　SPI0CFG = 0x70; //MSTEN 1: Enable master mode. Operate as a master.

　　//CKPHA 1: Data centered on second edge of SCK period.

　　//CKPOL 1: SCK line high in idle state.

　　SPI0CN = 0x0D;

　　SPI0CKR = (SYSCLK/(2*SPI_CLOCK)); //SPI frequency 500kHz

　　//Port_IO_Init

　　P0MDOUT = 0x0D; // Make SCK, MOSI, and NSS push-pull

　　XBR0 = 0x07; // Enable UART on P0.4(TX) and P0.5(RX)

　　// Enable the SPI on the XBAR

　　// Enable the SMBus on the XBAR

　　XBR1 = 0x40; // Enable crossbar and enable weak pull-ups

　　//Ext_Interrupt_Init

　　TCON = 0x05; // /INT 0 and /INT 1 are edge triggered

　　IT01CF = 0x61; // /INT0 active low; /INT0 on P0.1;

　　// /INT1 active low; /INT1 on P0.6

　　//EX0 = 1; // Enable /INT0 interrupts

　　//EX1 = 1; // Enable /INT0 interrupts

　　PX0 = 1;

　　}

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　// SMBus Interrupt Service Routine (ISR)

　　//-----------------------------------------------------------------------------

　　INTERRUPT(SMBUS0_ISR, INTERRUPT_SMBUS0)

　　{

　　bit FAIL = 0; // Used by the ISR to flag failed transfers

　　static unsigned char sent_byte_counter;

　　// Normal operation

　　switch (SMB0CN & 0xF0) // Status vector

　　{

　　// Master Transmitter/Receiver: START condition transmitted.

　　case SMB_MTSTA:

　　SMB0DAT = TARGET|SMB_RW; // Load target address & R/W bit

　　STA = 0; // Manually clear START bit

　　sent_byte_counter = 1; // Reset the counter

　　break;

　　// Master Transmitter: Data byte transmitted

　　case SMB_MTDB:

　　if (ACK) // Slave ACK?

　　{

　　if (SMB_RW == WRITE) // If this transfer is a WRITE,

　　{

　　if (sent_byte_counter <= NUM_BYTES_WR)

　　{

　　// send data byte

　　SMB0DAT = Tx_Data[sent_byte_counter-1];

　　sent_byte_counter++;

　　}

　　else

　　{

　　STO = 1; // Set STO to terminate transfer

　　SMB_BUSY = 0; // And free SMBus interface

　　}

　　}

　　else {} // If this transfer is a READ,

　　// proceed with transfer without

　　// writing to SMB0DAT (switch to receive mode)

　　}

　　else // If slave NACK,

　　{

　　STO = 1; // Send STOP condition, followed

　　STA = 1; // By a START

　　NUM_ERRORS++; // Indicate error

　　}

　　break;

　　default:

　　FAIL = 1; // Indicate failed transfer

　　// and handle at end of ISR

　　break;

　　} // end switch

　　if (FAIL) // If the transfer failed,

　　{

　　SMB0CF &= ~0x80; // Reset communication

　　SMB0CF |= 0x80;

　　STA = 0;

　　STO = 0;

　　ACK = 0;

　　SMB_BUSY = 0; // Free SMBus

　　FAIL = 0;

　　NUM_ERRORS++; // Indicate an error occurred

　　}

　　SI = 0; // Clear interrupt flag

　　}

　　/*---------------------------------------------------------------------------*/

　　/* End Of File */

　　/*---------------------------------------------------------------------------*/

　　六、 芯片供貨商：

　　l 纮康科技(Hycon Technology)專注于溫度、壓力、重量、電壓、電流、功率……等模擬訊號的量測及監視。主要提供在電池管理、儀器儀表(包含醫療、計量、 溫度…)，及工業控制等領域的相關芯片開發。