基于STM32LXXX的模数转换芯片ADC（MCP3421A0T-E/CH）驱动C程序设计

一、简介：

MCP3421是一款18位ΔΣ模数转换器，采用6引脚SOT-23封装，通过I2C接口与主机通信。

二、主要技术特性：

• 分辨率与速率：可编程配置为18位(3.75SPS)、16位(15SPS)、14位(60SPS)、12位(240SPS)。

• 输入结构 ：差分输入，支持双极性信号（-Vref ~ +Vref）。

• 内置基准：2.048V ±0.05%，温漂5ppm/°C（部分资料显示15ppm，以5ppm为准）。

• 可编程增益(PGA)：1、2、4、8倍。

• 工作模式：单次转换（省电）或连续转换。

• 功耗：连续模式145μA，单次模式39μA (1SPS)。

三、主要应用：

• 便携式仪器

• 称重秤与燃油表

• 采用 RTD 、热敏电阻和热电偶的温度传感

• 压力、应变和力的电桥传感

四、引脚定义：

引脚号	名称	功能描述	连接至STM32Lxxx
1	VDD	电源2.7V-5.5V	3.3V (与STM32同电源或独立)
2	VIN+	差分正输入	模拟信号输入
3	VIN-	差分负输入	模拟信号输入/AGND
4	VSS	地	GND
5	SCL	I2C时钟线	I2C_SCL引脚 (如PB6)
6	SDA	I2C数据线	I2C_SDA引脚 (如PB7)

五、内部原理框图：

六、头文件：

/**

* @file mcp3421.h

* @brief MCP3421 18-Bit ADC Driver for STM32Lxxx

*/

#ifndef __MCP3421_H

#define __MCP3421_H

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/

#include "stm32l4xx_hal.h" // 根据具体STM32L系列调整头文件

/* MCP3421 Device Address ----------------------------------------------------*/

#define MCP3421_ADDRESS 0x68 // 7-bit地址，左对齐

#define MCP3421_ADDRESS_WRITE (MCP3421_ADDRESS << 1) // 写地址 0xD0

#define MCP3421_ADDRESS_READ ((MCP3421_ADDRESS << 1) | 1) // 读地址 0xD1

/* Configuration Register Bits -----------------------------------------------*/

// 配置字节格式: [RDY, C1, C0, O/C, S1, S0, G1, G0]

#define MCP3421_CFG_RDY (0x80) // 就绪位: 1=转换完成/就绪

#define MCP3421_CFG_CHAN (0x00) // 通道(单通道固定为0)

// 转换模式

#define MCP3421_MODE_ONESHOT (0x00) // 单次转换模式 (bit4 = 0)

#define MCP3421_MODE_CONTINUOUS (0x10) // 连续转换模式 (bit4 = 1)

// 采样率/分辨率选择 (bits 3-2)

#define MCP3421_RATE_240_12BIT (0x00) // 240 SPS, 12位

#define MCP3421_RATE_60_14BIT (0x04) // 60 SPS, 14位

#define MCP3421_RATE_15_16BIT (0x08) // 15 SPS, 16位

#define MCP3421_RATE_3P75_18BIT (0x0C) // 3.75 SPS, 18位

// PGA增益选择 (bits 1-0)

#define MCP3421_PGA_1 (0x00) // 增益 x1

#define MCP3421_PGA_2 (0x01) // 增益 x2

#define MCP3421_PGA_4 (0x02) // 增益 x4

#define MCP3421_PGA_8 (0x03) // 增益 x8

/* Error Codes ---------------------------------------------------------------*/

#define MCP3421_OK (0x00)

#define MCP3421_ERROR_TIMEOUT (0x01)

#define MCP3421_ERROR_BUSY (0x02)

/* Public Functions ----------------------------------------------------------*/

uint8_t MCP3421_ReadConfig(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t *config);

uint8_t MCP3421_WriteConfig(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t config);

uint8_t MCP3421_TriggerConversion(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t rate, uint8_t pga);

uint8_t MCP3421_ReadResult(I2C_HandleTypeDef *hi2c, int32_t *adcValue, uint8_t *rdyBit);

uint8_t MCP3421_GetSingleConversion(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t pga, int32_t *result);

#ifdef __cplusplus

}

#endif

#endif /* __MCP3421_H */

七、源文件：

/**

* @file mcp3421.c

* @brief MCP3421 Driver Implementation

*/

#include "mcp3421.h"

#include <string.h>

/**

* @brief 读取当前配置寄存器

* @param hi2c: I2C句柄

* @param config: 存储读取到的配置字节

* @retval MCP3421_OK/ERROR

*/

uint8_t MCP3421_ReadConfig(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t *config)

{

// MCP3421支持从指针地址0x00读取配置

uint8_t regAddr = 0x00;

HAL_StatusTypeDef status = HAL_I2C_Master_Transmit(hi2c, MCP3421_ADDRESS_WRITE, &regAddr, 1, HAL_MAX_DELAY);

if(status != HAL_OK) return MCP3421_ERROR_TIMEOUT;

status = HAL_I2C_Master_Receive(hi2c, MCP3421_ADDRESS_READ, config, 1, HAL_MAX_DELAY);

if(status != HAL_OK) return MCP3421_ERROR_TIMEOUT;

return MCP3421_OK;

}

/**

* @brief 写入配置寄存器（同时触发单次转换）

* @param hi2c: I2C句柄

* @param config: 配置字节

* @retval MCP3421_OK/ERROR

*/

uint8_t MCP3421_WriteConfig(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t config)

{

uint8_t txData[2];

txData[0] = 0x00; // 指针寄存器

txData[1] = config; // 配置字节

HAL_StatusTypeDef status = HAL_I2C_Master_Transmit(hi2c, MCP3421_ADDRESS_WRITE, txData, 2, HAL_MAX_DELAY);

return (status == HAL_OK) ? MCP3421_OK : MCP3421_ERROR_TIMEOUT;

}

/**

* @brief 触发一次单次转换

* @param hi2c: I2C句柄

* @param rate: 采样率 (MCP3421_RATE_x)

* @param pga: 增益 (MCP3421_PGA_x)

* @retval MCP3421_OK/ERROR

*/

uint8_t MCP3421_TriggerConversion(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t rate, uint8_t pga)

{

uint8_t config = MCP3421_MODE_ONESHOT | rate | pga;

return MCP3421_WriteConfig(hi2c, config);

}

/**

* @brief 读取ADC转换结果（18位/16位/14位/12位）

* @param hi2c: I2C句柄

* @param adcValue: 输出ADC原始值（已符号扩展为32位）

* @param rdyBit: 输出配置寄存器中的RDY位状态

* @retval MCP3421_OK/ERROR/BUSY

*/

uint8_t MCP3421_ReadResult(I2C_HandleTypeDef *hi2c, int32_t *adcValue, uint8_t *rdyBit)

{

uint8_t rxData[3];

uint8_t config;

// 读取3字节：2字节ADC数据 + 1字节配置（18位模式为3字节，其他模式高字节为0）

HAL_StatusTypeDef status = HAL_I2C_Master_Receive(hi2c, MCP3421_ADDRESS_READ, rxData, 3, HAL_MAX_DELAY);

if(status != HAL_OK) return MCP3421_ERROR_TIMEOUT;

// 解析配置字节（第三个字节）

config = rxData[2];

*rdyBit = (config & MCP3421_CFG_RDY) ? 1 : 0;

// 检查转换是否完成

if(*rdyBit == 0) {

return MCP3421_ERROR_BUSY; // RDY=0表示正在转换

}

// 合并ADC数据（MCP3421输出为18位有符号，左对齐）

// 对于18位模式，数据在[17:0]；读取的rxData[0]是高字节，rxData[1]是低字节

uint32_t raw = ((uint32_t)rxData[0] << 8) | rxData[1];

// 符号扩展：18位有符号数扩展到32位

if(raw & 0x00020000) { // 测试第17位（符号位）

raw |= 0xFFFC0000; // 符号扩展

}

*adcValue = (int32_t)raw;

return MCP3421_OK;

}

/**

* @brief 单次转换完整流程（阻塞方式）

* @param hi2c: I2C句柄

* @param pga: 增益

* @param result: 输出ADC原始值

* @retval MCP3421_OK/ERROR

*/

uint8_t MCP3421_GetSingleConversion(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t pga, int32_t *result)

{

uint8_t ret;

uint8_t rdy;

int32_t adcRaw;

uint32_t tickstart;

// 1. 触发转换（固定使用18位最高精度）

ret = MCP3421_TriggerConversion(hi2c, MCP3421_RATE_3P75_18BIT, pga);

if(ret != MCP3421_OK) return ret;

// 2. 等待转换完成（18位典型需266ms）

tickstart = HAL_GetTick();

do {

if((HAL_GetTick() - tickstart) > 500) { // 超时500ms

return MCP3421_ERROR_TIMEOUT;

}

HAL_Delay(50);

ret = MCP3421_ReadResult(hi2c, &adcRaw, &rdy);

if(ret == MCP3421_OK && rdy) {

*result = adcRaw;

return MCP3421_OK;

}

} while(1);

}

八、应用示例：

#include "mcp3421.h"

extern I2C_HandleTypeDef hi2c1; // STM32Lxxx I2C句柄

void MCP3421_Example(void)

{

int32_t adc_code;

float voltage;

uint8_t status;

// 使用PGA=1，读取差分电压

status = MCP3421_GetSingleConversion(&hi2c1, MCP3421_PGA_1, &adc_code);

if(status == MCP3421_OK) {

// 转换为实际电压：V = (ADC_Code / 2^17) * 2.048V (18位模式，LSB=15.625μV)

// 公式：电压 = ADC_Code * (2.048 / 131072) 131072 = 2^17

voltage = (float)adc_code * 2.048f / 131072.0f;

printf("ADC Raw: %ld, Voltage: %.3f mV\r\n", adc_code, voltage * 1000);

} else {

printf("ADC Conversion Failed\r\n");

}

}

// 若需连续模式，按以下序列操作：

void MCP3421_ContinuousMode_Example(void)

{

uint8_t cfg;

int32_t adc_val;

uint8_t rdy;

// 1. 写入连续模式配置（16位、15SPS、增益1）

cfg = MCP3421_MODE_CONTINUOUS | MCP3421_RATE_15_16BIT | MCP3421_PGA_1;

MCP3421_WriteConfig(&hi2c1, cfg);

// 2. 延时等待首次转换

HAL_Delay(70);

// 3. 循环读取（每次读取都会返回最新转换值）

for(int i = 0; i < 10; i++) {

if(MCP3421_ReadResult(&hi2c1, &adc_val, &rdy) == MCP3421_OK) {

// 注意：连续模式下RDY位在读取后自动清零，无需额外操作

printf("Cont Value: %ld\r\n", adc_val);

}

HAL_Delay(100);

}

}