【经验】角速度传感器MLX90609的数字输出指南，简化数字输出使用

时间： 2018-12-04 来源：MELEXIS

技术问答

MLX90609是MELEXIS公司推出的一款角速度传感器。MLX90609角速度传感器是一个完整的陀螺仪系统，使用5V电源供电，工作温度范围为-40～85℃，可输出两个与垂直于装配表面的角速率成比例的输出信号，其中一路输出信号采用模拟电压格式（输出为2.5V，角速率为零，满量程角速率根据旋转方向产生4.5V或0.5V的输出），另一路输出为数字SPI 格式。可满足不同实际应用的使用需求。

本文简述由SPI逻辑控制的MLX90609内部ADC的工作原理。它包括一些用C语言编写的提示和SW示例，简化了MLX90609数字输出的使用，所有例子均与Keil Cx51编译器相兼容。

工作原理

MLX90609数字输出基于2通道11位逐次逼近模拟的数字转换器（ADC）。主通道0用于数字化角速率上电压（OUTAR-引脚）的输出。通道1可用于数字化内部温度传感器（OUTTEMP引脚）的输出。

图1：MLX90609 ADC的工作原理图

ADC包括一个双通道多路复用器，采样保持电路（S/H），一个11位连续近似寄存器（SAR），数模转换器（DAC）和一个模拟比较器（COMP）。

SAR产生一系列11位代码，为DAC提供存储在S/H电容中的输入信号，SAR还包括控制S/H电路并生成转换结束信号（EOC）的逻辑。多路复用器由SPI的ADCC指令定义的CHAN位控制，它将OUTAR电压的3/4（CHAN = 0）或整个OUTTEMP电压（CHAN=1）连接到S/H电路。COMP提供了一个反馈，让SAR在转换过程中定义一个近似方向，在最后一个近似阶段生成的11位代码是一个转换结果，可以作为SPI的串行数据流读取。

ADCC 的SPI指令来启动转换。该指令打开ADC（即位ADEN = 1），设置必要的通道（位CHAN）并开始转换。要读取转换状态，可以使用ADCR或STATR指令。转换完成后，可以在ADCR指令的响应中读取结果。下面的转换公式反映了典型的ADC行为，可用于评估OUTAR和OUTTEMP引脚上的电压：

ADCcode表示AD转换的11位结果。上电后，ADC处于睡眠模式。在使用ADC进行数据采集之前，建议首先使用初始虚拟转换。转换后，ADC可以再次进入睡眠模式。由于ADC消耗约0.25 mA，因此可以在睡眠模式下保存该值。为了通过输入电阻的最小电流，可以将输入SCLK和SS保持在高电平，将MOSI保持在低电平，而不使用SPI。通过这种方式，可以节省大约0.25mA的总电流消耗。而且不要重载输出OUTAR，根据MLX90609数据表，OUTAR负载不得超过200k，OUTAR过载会导致额外的输出非线性。

ADC控制的SPI指令

MLX90609通信接口与基于四条线的标准SPI兼容：MOSI，MISO，SS（或NSS）和SCLK（或SCK）。它始终从待机模式开始运行，SPI时钟极性和相位的模式是固定的：CPHA=1，CPOL=1。有关SPI时序特性和其他详细信息，请参见MLX90609数据手册。

有三个SPI指令用于控制MLX90609 ADC：STATR，ADCC和ADCR。这些指令中的每一个都包括8位指令和16位响应，该指令通过MOSI线串行传输到MLX90609。之后，可以通过MISO-line连续接收响应，最高有效位（MSB）是发送和接收的第一个位，信号SCLK是主设备生成的串行时钟，它初始化任何传输和接收，并提供数据同步。当SPI处于活动状态时，SS-line必须处于零状态，通过对SS-line电平置高位可以截断或完全取消响应，下表给出了ADC所用标志位的说明:

ADEN	ADEN位选择ADC的电源管理模式： ADEN = 0：ADC切换到休眠模式，不允许AD转换。 ADEN = 1：允许AD转换。该位由ADCC命令设置。上电后，ADEN位清零。
BUSY	在MLX90609的初始化过程中，该位在复位后置1。它落后了顺利完成程序。当BUSY = 1时，仅发送拒绝答案。
CHAN	CHAN位用于选择ADC的输入源。 CHAN = 0：角速率通道。 CHAN = 1：温度传感器通道。该位由ADCC命令设置。上电后，CHAN清零。
EOC	AD转换位结束。 EOC位表示ADC状态。 EOC = 0：ADC正在进行且无法重新启动，结果仍然无效。 EOC = 1：AD转换已完成，可以重新启动。如果EOC = 0，任何启动ADC的尝试都将被拒绝答案拒绝。
OPC	未知的操作代码。当未识别接收的操作代码时，该位置位。
X	这些位保留或具有未定义状态。

状态读取命令（STATR）：

STAR指令：

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

START响应

Bit15

Bit14

Bit13

Bit12

Bit11

Bit10

Bit9

Bit8

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

EOC

CHAN

ADEN

ADC控制命令（ADCC）：

ADCC指令：

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

CHAN

ADEN

ADCC响应

Bit15

Bit14

Bit13

Bit12

Bit11

Bit10

Bit9

Bit8

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

EOC

CHAN

ADEN

ADC读取命令（ADCR）：

ADCR指令：

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

ADCR响应

Bit15

Bit14

Bit13

Bit12

Bit11

Bit10

Bit9

Bit8

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

EOC

AD10

AD9

AD8

AD7

AD6

AD5

AD4

AD3

AD2

AD1

AD0

AD10…AD0

AD转换的结果。这些位仅在EOC位置1时有效。

拒绝响应：

拒绝指令：

Bit15

Bit14

Bit13

Bit12

Bit11

Bit10

Bit9

Bit8

Bit7

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

OPC

EOC

BUSY

ADC工作原理

ADC处理的一般顺序如下：

步骤A：ADC如果不是工作模式，则将ADC置于工作模式；

步骤B：开始新的转化；

步骤C：等待转换结束；

步骤D：读取结果数据；

步骤E：如果需要，转到步骤B或将ADC置于睡眠模式。

本节介绍实现上述序列的两种方法。第一种方法基于轮询，而第二种方式使用延迟。需要轮询或延迟以确保在新转换（ADCC指令）之前和读取结果（ADCR指令）之前完成先前的转换。

基于轮询的数字数据采集

这种方法不需要使用外部计时器和晶体振荡器，因为转换的结束是由MLX90609轮询定义的。另一方面，轮询需要大量使用MLX90609的SPI，因此可以通过引脚上的数字信号产生额外的输出噪声。轮询也不提供数据获取的周期性，而这些周期性是下一次数据处理所需要的。

数字数据采集算法包括三个轮询过程。在图2的流程图中，两个基于ADCC或ADCR指令的轮询过程的方法都包含一个循环，该循环构建在对响应的第15和第13位(EOC)进行检查的基础上，在ADCC轮询期间不需要其他位。因此，ADCC响应可以在接收到的第3位之后到处被截断，对于ADCR指令，必须接收完整的16位响应，因为它包含转换的11位结果。

整个流程的第2阶段中的ADCC指令设置ADC的活动模式。下一个ADCC指令开始转换，以测量位CHAN指定的通道上的信号。这里使用轮询来确保前一个adc周期结束。使用ADCR指令的轮询过程在转换结束后提供有效的数据输出。最终ADC可以在没有轮询的情况下关闭，因为此时转换已经完成。

使用ADCC指令轮询过程

完整投票程序的图表流程

使用ADCR命令轮询过程

图2:基于轮询的数字数据采集

下面您可以看到用C语言编写的两个轮询过程的示例:ADCC_polling和ADCR_polling。如果MLX90609接受ADCC指令，则函数ADCC_polling返回“0”。否则，它返回错误代码“1”。函数ADCC_polling返回上次数字转换的11位结果。否则，它返回一个错误代码“0xFFFF”。

两个函数都使用函数SPI_EXCH，这是一个最简单的8位SPI交换过程:unsigned char (unsigned char out)。输入参数out是主机发送到MLX90609的字节。该函数返回一个字节，该字节在传输的同时从miso行逐位接收，在返回之前，该函数将恢复默认的MOSI-stale (零级别)。

根据使用的主设备的结构，SPI_EXCH函数可以以不同的方式实现。使用嵌入式硬件SPI可以节省主机的处理时间，如果主服务器没有硬件SPI，可以使用软件实现代替。

下面的代码给出了一个为8051核心微控制器编写的SPI软件实现示例:

/* The example code assumes that the part specific header file is included */

sbit SCLK = P1^0; /* Any available 8051-ports */

sbit MISO = P1^1; /* can be used to emulate */

sbit MOSI = P1^2; /* SPI signals: */

sbit NSS = P1^3; /* SCLK, MISO, MOSI and NSS */

/* Macros NSS_Low and NSS_High are needed for ADCC_polling and ADCC_polling */

#define NSS_Low NSS = 0

#define NSS_High NSS = 1

unsigned char SPI_EXCH(unsigned char out)

{

unsigned char support, inp;

for (inp = 0, support = 0x80; support != 0; support >>= 1)

{

MOSI = out & support;

SCLK = 0;

SCLK = 1;

if(MISO) inp |= support;

}

MOSI = 0;

return inp;

}

8051的可寻址输入-输出端口被指定用来模拟spil信号。该示例还包括在ADCC_polling和ADCR_polling函数中使用的两个宏(NSS_Low和NSS_High)的定义。

/* The example code assumes that the part specific header file is included */

/* Function SPI_EXCH() and macros NSS_Low and NSS_High must be defined above */

#define EOC_COUNT 100

/* Polling procedure with ADCC command */

bit ADCC_polling(bit chan, bit aden)

{

unsigned char counter = 0; /* counter to avoid endless polling */

unsigned char tmp, adcc;

adcc = (aden) ? 0x94:0x90; /* NSS = 0; */

if(chan) adcc |= 0x08;

Start:

NSS_Low; /* NSS = 0; */

SPI_EXCH(adcc); /* Send ADCC-instruction */

tmp = SPI_EXCH(0x00); /* Read the first byte of the answer */

NSS_High; /* NSS = 1; */

if((tmp & 0x80) == 0) return 0; /* ADCC has been successfully sent */

else if(tmp & 0x20) return 1; /* HW Error! */

else if((++counter) < EOC_COUNT) goto Start; /* Continue polling */

else return 1; /* HW Error: long polling */

}

/* Polling procedure with ADCR command */

unsigned int ADCR_polling(void)

{

union intData

{unsigned int dd;

unsigned char d[2];

}inp;

#define Dat_H inp.d[0]

#define Dat_L inp.d[1]

#define Dat_HL inp.dd

unsigned char counter = 0; /* counter to avoid endless polling */

Start:

NSS_Low; /* NSS = 0; */

SPI_EXCH(0x80); /* Send ADCR-instruction */

Dat_H = SPI_EXCH(0); /* Read the first byte of the answer */

Dat_L = SPI_EXCH(0); /* Read the last byte of the answer */

NSS_High; /* NSS = 1; */

if(Dat_H & 0x80) return 0xFFFF; /* HW Error! */

else if(Dat_H & 0x20) return (Dat_HL & 0xFFF)>>1; /* Result is valid */

else if((++counter) < EOC_COUNT) goto Start; /* Continue polling */

else return 0xFFFF; /* HW Error: too long polling */

}

2）基于延迟的数字数据采集

根据MLX90609数据表的转换时间内部ADCμs总是小于115。因此115μs之后总会转换完成。转换的结果将是有效的，即使不检查EOC位，也可以发送下一个ADCC指令来启动新的转换。

图3显示了使用延迟而不是极化的adc循环的时间图，我们假设在ADCC指令的第一个上升的SCLK边缘之前，已经设置了EOC位(ADC没有在进行中)，这个条件可以保证不会超过115μs发送ADCC指令。在这种情况下,该MLX90609 AD-conversion将从第八个SCLK 上升沿开始执行ADCC指令。ADCC响应是预定义的，可以跳过。在接下来的延迟如果超过115μs， ADCR指令开始转换完成后,可以用来读取AD10…AD0数转换结果，EOC位总是设置在ADCR响应中。