【经验】角速度传感器MLX90609的数字输出指南，简化数字输出使用

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:

状态读取命令（STATR）：

ADC控制命令（ADCC）：

ADC读取命令（ADCR）：

拒绝响应：

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。

图3:基于延迟的ADC处理时间图

AD转换正在进行时没有SPI活动。这种基于延迟的方法将SPI活动最小化，从而减少额外的输出噪声。采集过程可以建立在定时器中断的基础上，周期大于115μs。在这种情况下，服务程序可以从形成正SS脉冲开始，然后ADCR命令可以读取先前AD转换的结果。在程序结束时，应发送8位ADCC指令以开始新的转换。

正SS脉冲截去SPI命令，但它不影响ADC。因此，可以在AD转换正在进行时，在发送ADCC指令之后精确地生成信号SS的上升沿。图4显示了一个没有轮询的通用数据采集算法。

图4:基于延迟的数字数据采集