STM32F407ZGT6驱动MAX31865获取PT100温度数据

一、MAX31865 温湿度传感器

• MAX31865 是 RTD 数字转换器，内置 15 位模/数转换器（ADC）、输入保护、数字控制器、SPI 兼容接口以及相关的控制逻辑电路。
  信号调理电路优化用于 PT100-PT1000 RTD，也支持其它热敏电阻。
• 电阻温度检测器（RTD）是一种阻值随温度变化的电阻。
  铂是最常见、精度最高的测温金属丝材料。铂 RTD 称为 PT-RTD。
• 对于 PT-RTD，最常见的电阻是：0°C 下标称值为 100Ω 和 1kΩ，当然也有其它阻值。0°C 和+100°C 之间的平均斜率称为阿尔法（α），斜率与铂的杂质及密度有关。
  最常见的两个 α 值是：0.00385 和 0.00392，分别对应于 IEC 751 (PT100) 和 SAMA 标准。

1、MAX31865 相关寄存器

• MAX31865 通过 8 个 8 位寄存器实现转换、状态和配置数据功能。
• 存取寄存器时，地址 0Xh 为读操作，地址 8Xh 为写操作。

①、配置寄存器（00h）

• 配置寄存器选择转换模式（自动模式或单次转换命令触发模式）、使能和禁止 BIAS 引脚输出 V_{BIAS}、发送单次转换命令、选择 RTD 连接方式（3 线或 2/4 线）、启动一次故障检测、清空故障状态寄存器，以及选择滤波器陷波频率。
• D7（BIAS）位：不进行温度转换时，可禁止 V_{BIAS}，以降低功耗。
  1. 发送单次转换（1-Shot）指令之前，可通过向该位写 1 使能 V_{BIAS}。
  2. 选择自动（连续）转换模式时， **V_{BIAS}**保持有效状态。
• D6（转换模式）位：向该位写 1 时，选择自动转换模式，以 50/60 Hz 速率连续转换；向该位写 0 时，退出自动转换模式，进入 “常闭” 模式，该模式下可发送单次转换命令。
• D5（1-Shot）位：转换模式为 “常闭” 时，向该位写 1 启动一次电阻测试转换。向该位写 1 后，overline{text{CS}} 变为高电平时触发转换。
  1. 在启动转换之前开启 V_{BIAS}，并等待至少 10.5 倍的输入RC网络时间常数加上 1ms。
  2. 单次转换完成时间在 60Hz 滤波模式下需要约 52ms，在 50Hz 滤波模式下需要 62.5ms。
  3. 1-Shot 为自动清零位。
• D4（3-Wire）位：使用 3 线 RTD 连接时，该位写 1；使用 2 线或 4 线连接时，向该位写 0。
• D3:D2（故障检测周期）位：主控制器启动的故障检测周期有两种工作模式：手动和自动模式。
  1. 如果外部 RTD 接口电路包括时间常数大于 100µs 的输入滤波器，故障检测周期时序应采用手动模式控制。
  2. 为进入自动故障检测，向配置寄存器写 100X010Xb，此时 ADC 处于“常闭”模式。
     自动故障检测周期在检查故障之前插入 100µs 延迟，允许外部输入滤波器达到稳定。完成检测后，故障检测周期设置位（D[3:2]）自动清除为00b。
• D1（故障状态清零）位：向 D5、D3 和 D2 位写 0 的同时向该位写 1，将使故障寄存器的全部故障状态位（D[7:2]）清零。
  如果仍然存在过压/欠压故障，故障寄存器的 D2 位、RTD LSB 寄存器的 D0 位可能立即再次置位。故障状态清除位 D1 自动清零。
• D0（50/60Hz）位：选择噪声抑制滤波器的陷波频率。向该位写 0 时，抑制 60Hz 及其谐波；向该位写 1 时抑制 50Hz 及其谐波。
  注意： 自动转换模式下，不要更改陷波频率 。

②、RTD 电阻寄存器（01h−02h）

• RTD MSB 和 RTD LSB 两个 8 位寄存器包含 RTD 电阻数据。
  1. 数据格式为 RTD 电阻与参考电阻的比值，包含 15 位有效数据。
  2. RTD LSB 寄存器的 D0 为故障位，表示是否检测到任意 RTD 故障。
• 将 RTD 数据寄存器中 15 位 ADC 转换结果转换为 RTD 的阻值：

R_{RTD} = (ADC Code × R_{REF})/2^{15}

ADC 编码 = RTD 数据寄存器（01h – 02h）中的 15 位 ADC 转换结果
R_{REF} = 基准电阻的阻值

③、故障门限寄存器（03h−06h）

• 故障上限和故障下限寄存器用于选择 RTD 故障检测的触发门限。将 RTD 转换结果与这些寄存器值进行比较，在故障状态寄存器中置位 “Fault” (D[7:6])。
• 如果 RTD 电阻寄存器值大于或等于故障上限寄存器值，置位故障状态寄存器的 RTD High。
• 如果 RTD 电阻值小于或等于故障下限寄存器值，则置位故障状态寄存器的 RTD Low。

④、故障状态寄存器（07h）

• 故障状态寄存器锁存所有检测到的故障位。
• 向配置寄存器中的故障状态清除位写 1 时，将全部故障状态位清零。

2、MAX31865 通过 SPI 进行通信

• MAX31865 支持 SPI 模式 1 和 3 。
• SPI 通信使用四个引脚：SDO（串行数据输出）、SDI（串行数据输入）、CS（片选）和 SCLK（串行时钟）。
  1. SDI 和 SDO 分别是器件的串行数据输入和输出引脚。
     读操作时，从 SDO 输出数据；写操作时，数据输入至 SDI。
  2. overline{text{CS}} 输入启动和终止数据传输。
  3. SCLK 同步主机（微控制器）和从机（MAX31865）之间的数据传输。
• 地址和数据字节移入串行数据输入（SDI）和移出串行数据输出（SDO）时， MSB 在前 。
• 任何传输都需要地址字节指定写或读操作，后面跟一个或多个数据字节。
  1. overline{text{CS}} 驱动为低电平后，传输的第一个字节总为地址字节，该字节的 MSB（A7）决定随后的字节为写还是为读操作。
  2. 如果 A7 为 0，地址字节后为一个或多个字节读操作；
  3. 如果 A7 为 1，地址字节后为一个或多个字节写操作。
• 对于单字节传输，读或写 1 个字节，然后 overline{text{CS}} 驱动为高电平。
• 对于多字节传输，写入地址后，可以读或写多个字节。
  1. 只要 overline{text{CS}} 保持为低电平，地址则连续在全部存储器内递增。
  2. 如果继续移入或移出数据，地址则从 7Fh/FFh 返回至 00h/80h。
  3. 存储器地址无效时，报告 FFh 值。
• 注意： 如果对只读寄存器执行写操作，不改变该寄存器的值 。
• 注意： CPHA 位极性必须设置为 1 。

二、硬件设计

1、接线说明

MAX31865 模块	STM32F407ZGT6	引脚定义
VIN	3.3V	电源正极 VCC
GND	GND	电源负极 GND
SCLK	B3	串行数据时钟输入引脚
SDO	B4	串行数据输出引脚
SDI	B5	串行数据输入引脚
nCS	B6	低电平有效片选引脚

MAX31865 模块	PT100/PT1000	引脚定义
FORCE+	红线	高边RTD驱动
RTD+	红线	RTD输入正端
RTD-	蓝线	RTD输入负端
FORCE-	蓝线	低边RTD回路

2、模块设计

• 只截取了 MAX31865 及其外围电路，电源和隔离部分电路可以参考用户手册。

3、PT100/PT1000

• 默认是 4 线模式。

三、程序设计

1、读取温度数据的步骤

1. 配置 MAX31865 传感器：设置 MAX31865 配置寄存器。
2. 发送读取命令：发送读取 RTD 电阻寄存器（01h−02h）命令。
3. 读取数据：接收传感器返回的 15 位有效数据。
4. 数据转换：将 15 位数据通过公式转换为实际的温度值。
5. 数据显示：可以通过串口或 OLED 屏幕显示实际的温度值。

2、max31865_hardspi.h

#ifndef __MAX31865_HARDSPI_H
#define __MAX31865_HARDSPI_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"


/******************************************************************************************/
/* 基准电阻的阻值 */

#define PT100_Resistance_Ref                    402.0f              /* PT100基准电阻的阻值 */
#define PT1000_Resistance_Ref                   4020.0f             /* PT1000基准电阻的阻值 */

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


/******************************************************************************************/
/* 指令表 */

#define MAX31865_CONFIG_REG                     0x00                /* 配置寄存器(00h、80h) */

#define MAX31865_RTD_MSB_REG                    0x01                /* RTD电阻寄存器 - RTD MSBS(01h) */
#define MAX31865_RTD_LSB_REG                    0x02                /* RTD电阻寄存器 - RTD LSBS(02h) */

#define MAX31865_RTD_HIGH_MSB_THRESHOLD_REG     0x03                /* 故障门限寄存器(03h、83h) */
#define MAX31865_RTD_HIGH_LSB_THRESHOLD_REG     0x04                /* 故障门限寄存器(04h、84h) */

#define MAX31865_RTD_LOW_MSB_THRESHOLD_REG      0x03                /* 故障门限寄存器(05h、85h) */
#define MAX31865_RTD_LOW_LSB_THRESHOLD_REG      0x04                /* 故障门限寄存器(06h、86h) */

#define MAX31865_FAULT_STATUS_REG               0x07                /* 故障状态寄存器(07h) */

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


/******************************************************************************************/
/* 配置寄存器 */

#define MAX31865_Init_2_4_Line                  0xC1                /* 2、4线模式 */
#define MAX31865_Init_3_Line                    0xD1                /* 3线模式 */

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


/******************************************************************************************/
/* 函数声明 */

void MAX31865_Init_HardSPI(void);                                   /* 硬件SPI初始化MAX31865 */

uint8_t MAX31865_ReadRegister_HardSPI(uint8_t reg);                 /* 硬件SPI读取MAX31865寄存器 */
void MAX31865_WriteRegister_HardSPI(uint8_t reg, uint8_t data);     /* 硬件SPI写MAX31865寄存器 */

float MAX31865_Get_Temperature_HardSPI(void);                       /* 获取温度值 */
uint8_t MAX31865_Set_Configuration(uint8_t data);                   /* 设置配置寄存器 */
uint8_t MAX31865_Read_Fault_Status(void);                           /* 读取故障状态寄存器 */

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


#endif  /* __MAX31865_HARDSPI_H */

3、max31865_hardspi.c

#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"

#include "./BSP/SPI/hardspi.h"
#include "./BSP/MAX31865/max31865_hardspi.h"


/**
 * @brief       硬件SPI初始化MAX31865
 * @param       无
 * @retval      无
 */
void MAX31865_Init_HardSPI(void)
{
    HardSPI1_CS1_Init();                                    /* 初始化CS1引脚 */
    HSPI1_CS1(1);
    
    HardSPI1_Init();                                        /* 初始化硬件SPI：SCK、MISO、MOSI */
    
    HSPI1_Set_Speed(SPI_SPEED_32);                          /* 设置SPI1速度 */
    
    MAX31865_Set_Configuration(MAX31865_Init_2_4_Line);     /* 设置配置寄存器 */
}

/**
 * @brief       硬件SPI读取MAX31865寄存器
 * @param       reg：寄存器
 * @retval      data：读取到的寄存器的值
 */
uint8_t MAX31865_ReadRegister_HardSPI(uint8_t reg)
{
    uint8_t data = 0;
    
    HSPI1_CS1(0);
    
    HSPI1_Read_Write_Byte(reg & 0x7F);
    data = HSPI1_Read_Write_Byte(0xFF);
    
    HSPI1_CS1(1);
    
    return data;
}

/**
 * @brief       硬件SPI写MAX31865寄存器
 * @param       reg：寄存器
 * @param       data：写寄存器的值
 * @retval      无
 */
void MAX31865_WriteRegister_HardSPI(uint8_t reg, uint8_t data)
{
    HSPI1_CS1(0);
    
    HSPI1_Read_Write_Byte(reg | 0x80);
    HSPI1_Read_Write_Byte(data);
    
    HSPI1_CS1(1);
}


/**
 * @brief       获取温度值
 * @param       无
 * @retval      temperature：温度值
 */
float MAX31865_Get_Temperature_HardSPI(void)
{
    uint16_t adc_code[2];
    uint16_t data_adc_code;

    float resistance;
    float temperature;

    /* RTD LSB寄存器的D0为故障位，表示是否检测到任意RTD故障。 */
    adc_code[0] = MAX31865_ReadRegister_HardSPI(MAX31865_RTD_MSB_REG);      /* 读取RTD MSBS(01h)寄存器 */
    printf("RTD_MSB：%xrn", adc_code[0]);
    adc_code[1] = MAX31865_ReadRegister_HardSPI(MAX31865_RTD_LSB_REG);      /* 读取RTD LSBS(02h)寄存器 */
    printf("RTD_LSB：%xrn", adc_code[1]);
    
    data_adc_code = (adc_code[0] < < 7) | (adc_code[1] > > 1);                /* 获取15位有效数据 */
    printf("ADC_Code：%xrn", data_adc_code);
    
    resistance = ((float)data_adc_code * PT100_Resistance_Ref) / 32768.0f;  /* 计算RTD的电阻值：Rrtd = （ADC Code * Rref）/（2^15）*/
    printf("Resistance：%.2frn", resistance);
    
    temperature = (resistance - 100.0f) / 0.385055f;                        /* 计算温度值 */
    printf("Temperature：%.2frn", temperature);
    
    return temperature;                                                     /* 返回接收到的温度值 */
}

/**
 * @brief       设置配置寄存器
 * @param       data：要设置配置寄存器的值
 * @retval      Cfg_data：读取配置寄存器的值
 */
uint8_t MAX31865_Set_Configuration(uint8_t data)
{
    uint8_t Cfg_data;
    
    MAX31865_WriteRegister_HardSPI(MAX31865_CONFIG_REG, data);              /* 设置配置寄存器 */
    Cfg_data = MAX31865_ReadRegister_HardSPI(MAX31865_CONFIG_REG);          /* 读取配置寄存器 */
    printf("MAX31865_CONFIG_REG：%xrn", Cfg_data);
    
    return Cfg_data;
}

/**
 * @brief       读取故障状态寄存器
 * @param       无
 * @retval      data：读取到的故障状态寄存器的值
 */
uint8_t MAX31865_Read_Fault_Status(void)
{
    uint8_t data;
    uint8_t config_data;
    
    data = MAX31865_ReadRegister_HardSPI(MAX31865_FAULT_STATUS_REG);                /* 读取故障状态寄存器 */
    printf("MAX31865_FAULT_STATUS_REG：%xrn", data);
    
    config_data = MAX31865_ReadRegister_HardSPI(MAX31865_CONFIG_REG);               /* 读取配置寄存器 */
    MAX31865_WriteRegister_HardSPI(MAX31865_CONFIG_REG, config_data | 0x02);        /* 清除故障状态位 */
    
    data = MAX31865_ReadRegister_HardSPI(MAX31865_FAULT_STATUS_REG);                /* 读取故障状态寄存器 */
    printf("MAX31865_FAULT_STATUS_REG：%xrn", data);
    
    return data;
}

4、main.c

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"

#include "configure.h"

#include "./BSP/MAX31865/max31865_hardspi.h"


int main(void)
{
    Configure_Init();

    while(1)
    {
        MAX31865_Set_Configuration(MAX31865_Init_2_4_Line);     /* 设置配置寄存器 */
        
        MAX31865_Get_Temperature_HardSPI();                     /* 获取温度值 */
        MAX31865_Read_Fault_Status();                           /* 读取故障状态寄存器 */
        delay_ms(2000);
    }
}

四、功能展示 - 串口显示