Как подключить АЦП ADT7411 к Arduino

Для проекта нам понадобятся:

• АЦП ADT7411;
• Arduino или аналог;
• макетная плата;
• плата с микросхемой FT2232 (опционально);
• осциллограф или логический анализатор;
• набор резисторов;
• соединительные провода;
• компьютер со средой разработки Arduino IDE или иной.

1 Описание аналого-цифрового перобразователя ADT7411

Диапазон измеряемых напряжений АЦП – либо от 0 до 2,25 В, либо от 0 до напряжения питания. АЦП ADT7411 питается напряжением от 2,7 до 5,5 В. Встроенный датчик температуры позволяет измерять температуру в диапазоне от -40° до +120°C с точностью четверть градуса. Также имеется возможность подключить один внешний термодатчик.

Управление преобразователем возможно по цифровым последовательным интерфейсам SPI и I2C.

Назначение выводов микросхемы 7411 представлено на рисунке.

Внутренняя память устройства состоит из 255-ти регистров, которые показаны на рисунке ниже. Здесь присутствуют регистры конфигурации, статуса, информации о ревизии и производителе микросхемы, а также регистры показаний аналоговых каналов и термодатчиков. Некоторые из регистров мы чуть позже рассмотрим подробно, а на рисунке представлены адреса регистров, их названия и значения по умолчанию после подачи питания на ADT7411.

Начнём изучение с того, что подключим АЦП к отладочной плате с микросхемой FT2232H и с помощью программы SPI via FTDI изучим нюансы информационного обмена с данным АЦП, а затем на основе этих данных реализуем алгоритм на Arduino.

2 Подключение и работа микросхемы ADT7411 в режиме SPI

Подключение стандартное для SPI.

Питание 3,3 В подадим на ножку VDD, землю – на ножку GND. Импульсы синхронизации возьмём с ADBUS0 микросхемы FT2232H и подадим на ножку SCL/SCLK ADT7411. Выходные данные возьмём с ADBUS1 и подадим на SDA/DIN, а входные – с ADBUS2 и подадим на DOUT/ADD. Сигнал выбора ведомого будет подан с ADBUS3 на CS. На канал AIN6 (1-ую ножку микросхемы) подадим 3,3 В для тестирования аналогового канала АЦП.

Теперь запустим программу SPI via FTDI, в меню «Устройство» выберем интерфейс SPI. Подключимся к микросхеме через меню "Устройство" или щёлкнув по вкладке устройства правой кнопкой мыши. Настройки режима должны быть как на скриншоте ниже. В поле записи наберём команду 90 4D и трижды нажмём кнопку «Записать».

Почему трижды? Дело в том, что АЦП ADT7411 при подаче питания находится в режиме I²C. Чтобы перевести его в режим SPI, необходимо сгенерировать на его ножке CS три импульса с активным низким уровнем. Трижды посланная команда сделает в том числе как раз это.

Команда 0x90 показывает микросхеме ADT7411, что далее мы будем передавать ей данные, 0x4D – это передаваемые данные, а именно – адрес регистра DeviceID.

После этого в поле чтения наберём команду 91 (поставив галку «Команда») и число байт для чтения – 3. Откроем окно для вывода результата (кнопка в виде таблицы) и нажмём кнопку «Прочитать». В открытом окне должны появиться значения 3-х прочитанных регистров.

Обратите внимание, что каждая команда АЦП ADT7411 предваряется кодом 0x90, если мы собираемся записывать данные, и кодом 0x91, если будем запрашивать данные от АЦП.

В данном примере нам вернулись 3 байта: 0x02, 0x41, 0x05. Если заглянем в техническое описание (datasheet, находится в приложении к статье), то увидим, что так и должно быть: 0x02 – это постоянный идентификатор АЦП 7411, 0x41 – постоянный идентификатор производителя, а версия кристалла может меняться, и в данном случае она 5-ая. Значит, устройство работоспособное и подключено правильно.

Проведём конфигурирование АЦП. Дело в том, что АЦП ADT7411 может измерять в двух режимах: по запросу и непрерывно (т.н. режим round-robin). При подаче питания АЦП входит в режим непрерывных измерений, но он не активен. Его нужно активировать. Кроме того, нужно задать ещё несколько настроек.

Для этого (в разделе «Запись») нужно записать в три конфигурационных регистра (с адресами 18, 19 и 1A) определённые настройки. Это делается путём отправки устройству последовательности команд:

Почему мы отправляем именно такие значения в регистры? Каждый бит в 8-битовом числе представляет собой определённый параметр. Присваивая биту значение «1» или «0», мы включаем или выключаем эти параметры. Некоторые параметры могут кодироваться не одним, а несколькими битами. Более подробно показано на рисунке ниже, а также в техническом описании ADT7411, которое можно скачать в приложении к статье.

Для запуска измерений подадим команду 90 18 01. После этого АЦП запустит непрерывный цикл измерений.

Теперь прочитаем значения регистров устройства. Для этого сначала запишем (в разделе «Запись») адрес 0-го регистра: 90 00, а затем прочитаем 64 байта, указав команду 91 и число байтов для чтения – 64.

В окне принимаемых значений отобразится 64 байта, которые нам вернул АЦП ADT7411. Это значения его 64-х регистров. Давайте посмотрим, что нам вернулось.

Значение встроенного термодатчика содержится в регистрах с адресами 0x03 и 0x07, а данные аналогового входа AIN6 – в регистрах с адресами 0x05 и 0x0D.

В соответствии со скриншотом выше, в регистре 3 содержится значение 0x0B (или 0000_1011 в двоичном виде), в регистре 7 содержится значение 0x1C (или 0001_1100 в двоичном виде). Для ясности можно записать в таблицу:

Соединив все разряды с T9 (старший разряд) по T0 (младший), получается, что значение внутреннего термодатчика в двоичном виде 00_0111_0011 или 115 в десятичном виде. Это код температуры. Для перевода кода температуры в градусы Цельсия:

• t = T × 0,25 если разряд T9 равен "0" (признак, что температура выше нуля);
• t = (T – 1024) × 0,25 если разряд T9 равен "1" (признак, что температура отрицательная).

Здесь T – код температуры АЦП, t – значение температуры в градусах Цельсия, коэффициент 0,25 – число градусов Цельсия на один разряд АЦП, 1024 – это 2¹⁰ – максимум шкалы для 10-разрядного АЦП.

В нашем случае разряд T9 равен нулю, поэтому температура в градусах Цельсия положительна и равна 115×0,25 = 28,75°C

Теперь переведём измерения напряжения из кода АЦП в вольты. Составим аналогичную таблицу. Значение регистра 0x5 – 0x73 (или 0111_0011 в двоичном виде), значение регистра 0xD – 0xD0 (или 1101_0000 в двоичном виде).

Из разрядов A9…A0 получаем значение на аналоговом входе AIN6: 11_0100_0000 или 832 в десятичном виде. Для перевода кода напряжения U_ADC в вольты U: U = U_ADC × V_ref / 1024 = 832×3,3 / 1024 = 2,68 В

Здесь V_ref – опорное напряжение, равное напряжению питания чипа ADT7411 в вашей схеме, 1024 – опять же, максимальное значение 10-разрядного АЦП.

Расшифровку остальных регистров можно посмотреть в техническом описании АЦП и сейчас рассматривать не будем.

Теперь можно написать скетч для Arduino, который будет делать то же самое: определять температуру внутреннего термодатчика АЦП ADT7411 и напряжение на входе AIN6.

#include <SPI.h>

const byte WRITE = 0x90; // команда записи
const byte READ = 0x91; // команда чтения
const float Vref = 3.3; // опорное напряжение равно напряжению питания АЦП

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  SPI.begin();
  pinMode(SS, OUTPUT);
  delay(100); // задержка на время самопроверки АЦП ADT7411
  lockSpiMode();
  readSpiLockStatus();
  readIds();
  initAdt7411();
  startMonitoring();
}

void loop() {
  byte regs[64];
  readAll(regs);
  
  float internalTemperature = getTemperature(regs);
  Serial.println("t=" + (String)internalTemperature);
  
  float ain6 = getAin6(regs);
  Serial.println("AIN6=" + (String)ain6);
  Serial.println();
  
  delay(1000);
}

// Читает регистр режима SPI/I2C.
byte readSpiLockStatus(){
  byte regs[1];
  readRegister(0x7f, 1, regs);
  if (regs[0] & 1 == 1){
    Serial.println("Mode: SPI");
  }
  else {
    Serial.println("Mode: I2C");
  }
}

// Читает всю карту регистров АЦП ADT7411.
void readAll(byte regs[]){
  readRegister(0x00, 64, regs);
  for (int i=0; i<64; i++){
    Serial.print(String(regs[i],HEX) + " ");
  }
  Serial.println();
}

// Переводит АЦП ADT7411 в режим SPI.
void lockSpiMode(){
  for (int i=0; i<3; i++){
    digitalWrite(SS, LOW);
    digitalWrite(SS, HIGH);
  }
}

// Инициализация АЦП ADT7411.
void initAdt7411(){
  byte conf[] = {0x08, 0x00, 0x19}; // значения конфигурационных регистров
  writeRegister(0x18, &conf[0], 1);
  writeRegister(0x19, &conf[1], 1);
  writeRegister(0x1A, &conf[2], 1);
}

// Читает идентификаторы и выводит в монитор последовательного порта.
void readIds(){
  byte ids[3];
  readRegister(0x4D, 3, ids);
  Serial.println("Device ID = " + (String)ids[0]);
  Serial.println("Manufacturer ID = 0x" + String(ids[1], HEX));
  Serial.println("Silicon revision = " + (String)ids[2]);
  Serial.println();
}

// Запускает измерения.
void startMonitoring(){
   byte conf[1] = {0x01};
   writeRegister(0x18, conf, 1);
}

// Читает температуру и переводит в градусы.
float getTemperature(byte regs[]){
  int tempCode = (regs[3] & B11) | (regs[7] << 2);
  if ((tempCode >> 10) & 1 == 1){ // 11-ый бит ==1 - признак отрицательной температуры
    tempCode -= 1024;
  }
  return tempCode * 0.25;
}

// Читает показания на входе AIN6 и переводит в вольты.
float getAin6(byte regs[]){
  int uadc = ((regs[5] >> 2) & B11) | (regs[0x0D] << 2);
  return uadc * Vref / 1024;
}

// Читает массив байтов заданной длины, начиная с заданного адреса.
void readRegister(byte address, int len, byte out[]) {
  // записываем адрес:
  digitalWrite(SS, LOW);
  SPI.transfer(WRITE);
  SPI.transfer(address);
  digitalWrite(SS, HIGH);

  // читаем, начиная с этого адреса:
  digitalWrite(SS, LOW);
  SPI.transfer(READ);
  for(int i=0; i<len; i++){
    out[i] = SPI.transfer(00);
  }
  digitalWrite(SS, HIGH);
}

// Записывает в регистр массив байтов, начиная с заданного адреса:
void writeRegister(byte address, byte value[], int len) {
  digitalWrite(SS, LOW);
  SPI.transfer(WRITE);
  SPI.transfer(address);
  for(int i=0; i<len; i++){
    SPI.transfer(value[i]);
  }
  digitalWrite(SS, HIGH);
}    

В результате загрузки данного скетча в память Ардуино, в мониторе последовательного порта будет примерно следующее:

Пример временной диаграммы запроса и чтения регистров идентификаторов устройства, производителя и версии чипа приведена на рисунке:

Полную временную диаграмму работы скетча можно скачать в приложении к статье. Она открывается бесплатной программой Saleae Logic 2.

Разумеется, это лишь пример, демонстрирующий основы работы с данным АЦП по интерфейсу SPI, содержащий однако все необходимые для обмена с микросхемой функции.

3 Подключение и работа микросхемы ADT7411 в режиме I2C

Теперь сделаем то же самое, только управлять АЦП будем по шине I²C (или IIC). Здесь есть несколько нюансов.

АЦП подключается по следующей схеме.

Питание 3,3 В подадим на ножку VDD, землю – на ножку GND. Импульсы синхронизации возьмём с ADBUS0 микросхемы FT2232H и подадим на ножку SCL/SCLK ADT7411 (обратите внимание, через резистор ~10 кОм). Данные возьмём с ADBUS1 и подадим на SDA/DIN (тоже через аналогичный резистор). Кроме того, вывод ADBUS2 также нужно подать на SDA/DIN (особенность работы микросхем FTDI в режиме I²C). Ножку CS подтянем к питанию. На канал AIN6 подадим 3,3 В для тестирования аналогового канала АЦП.

Ножку ADD можно подключить либо к земле, либо к питанию. Это влияет на то, каким будет адрес устройства на шине I²C. При подключении к земле адрес будет 72, при подключении к питанию – 75.

При обмене по шине I2C АЦП может передавать только по одному байту. Ведущее устройство (мастер) сначала должно передать АЦП адрес интересующего регистра и затем прочитать ответ от АЦП. Например, чтобы прочитать значение регистра DeviceID, нужно передать АЦП адрес 0x4D, а затем вычитать 1 байт. Но вот от мастера ведомому можно передавать несколько байтов.

Запустим программу SPI via FTDI, переключимся в режим I2C (меню «Устройство» – «Интерфейс» – I2C). Оставим настройки по умолчанию. Просканируем шину I2C. При правильно собранной схеме програма обнаружит на шине одно устройство и добавит его в выпадающий список. Выберем его. Укажем в поле записи адрес 4D и нажмём кнопку «Записать». Далее в поле чтения укажем количество байт – 1 – и нажмём кнопку «Прочитать». В окне принятых результатов должно появиться число 2. Это и есть постоянное значение регистра DeviceID, как мы уже знаем.

Совершенно аналогично будет проводиться запись и чтение и в другие регистры. Например, для записи в конфигурационный регистр 0x18 значения 0x08 осуществляется так:

Соответственно, перепишем скетч на применение интерфейса IIC. Это потребует минимальных изменений.

#include <Wire.h>

const float Vref = 3.3; // опорное напряжение равно напряжению питания
const byte I2C_ADDR = 75; // адрес АЦП ADT7411 на шине I2C при подтяжке вывода ADD к питанию

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  delay(100); // задержка на время самопроверки АЦП ADT7411
  readIds();
  readSpiLockStatus();
  initAdt7411();
  startMonitoring();
}

void loop(){
  float internalTemperature = getTemperature();
  Serial.println("t=" + (String)internalTemperature);
  
  float ain6 = getAin6();
  Serial.println("AIN6=" + (String)ain6);
  Serial.println();

  delay(1000);
}

// Читает регистр режима SPI/I2C.
byte readSpiLockStatus(){
  byte reg = readRegister(0x7f);
  if (reg & 1 == 1){
    Serial.println("Mode: SPI");
  }
  else {
    Serial.println("Mode: I2C");
  }
}

// Инициализация АЦП ADT7411.
void initAdt7411(){
  byte conf[] = {0x08, 0x00, 0x19}; // значения конфигурационных регистров
  writeRegister(0x18, &conf[0], 1);
  writeRegister(0x19, &conf[1], 1);
  writeRegister(0x1A, &conf[2], 1);
}

// Читает идентификаторы и выводит в монитор последовательного порта.
void readIds(){
  byte devId = readRegister(0x4D);
  Serial.println("Device ID = " + (String)devId);
  
  byte manId = readRegister(0x4E);
  Serial.println("Manufacturer ID = 0x" + String(manId, HEX));
  
  byte rev = readRegister(0x4F);
  Serial.println("Silicon revision = " + (String)rev);
  Serial.println();
}

// Запускает измерения.
void startMonitoring(){
   byte conf[1] = {0x01};
   writeRegister(0x18, conf, 1);
}

// Читает температуру и переводит в градусы.
float getTemperature(){
  byte reg3 = readRegister(0x03);
  byte reg7 = readRegister(0x07);
  int tempCode = (reg3 & B11) | (reg7 << 2);
  if ((tempCode >> 10) & 1 == 1){ // отрицательная температура
    tempCode -= 1024;
  }
  return tempCode * 0.25;
}

// Читает показания на входе AIN6 и переводит в вольты.
float getAin6(){
  byte reg5 = readRegister(0x05);
  byte regD = readRegister(0x0D);
  int uadc = ((reg5 >> 2) & B11) | (regD << 2);
  return uadc * Vref / 1024;
}

// Читает значение регистра с адресом addr.
byte readRegister(byte addr) {
  // Записывает адрес регистра:
  Wire.beginTransmission(I2C_ADDR);
  Wire.write(addr);
  Wire.endTransmission();

  // Запрашивает из регистра данные:
  Wire.requestFrom(I2C_ADDR, 1);
  byte result;
  while (Wire.available()) {
    result = Wire.read();
  }
  return result;
}

// Записывает в регистр массив байтов value заданной длины len, начиная с заданного адреса address:
void writeRegister(byte address, byte value[], int len) {
  Wire.beginTransmission(I2C_ADDR);
  Wire.write(address);
  for(int i=0; i<len; i++){
    Wire.write(value[i]);
  }
  Wire.endTransmission();
}

При подключении АЦП к Arduino, нужно также помнить, что у Arduino выводы для I²C: SDA – аналоговый вывод A4, а SCL – A5.

Временная диаграмма опроса регистров идентификаторов представлена на рисунке, а полная диаграмма – в приложении к статье.

Итак, мы научились управлять АЦП ADT7411 без использования специальных библиотек с помощью Arduino по интерфейсам SPI и I²C.

☆∘☆∘☆