基于STM32F103驱动CS1237 ADC模数转换模块采集差分信号

jf_88434166 2025-11-26 1805
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描述

一、CS1237简介

CS1237是一款高精度、低功耗Sigma-Delta模数转换芯片，内置一路Sigma-Delta ADC，一路差分输入通道和一路温度传感器，ADC采用两阶sigma delta 调制器，通过低噪声仪用放大器结构实现PGA放大，放大倍数可选：1、2、64、128。在PGA=128时，有效分辨率可达20位(工作在5V)。 CS1237内置RC振荡器，无需外置晶振。
CS1237可以通过DOUT DRDY/和SCLK进行多种功能模式的配置，例如用作温度检测、PGA选择、ADC数据输出速率选择等等。 具有Power down模式。
主要特性

  • 供电电压：3.3 / 5V
  • 内置晶振
  • 集成温度传感器
  • 带Power down功能
  • 2线SPI接口，最快速率为1.1MHz

ADC功能特性：

  • 24位无失码
  • PGA放大倍数可选：1、2、64、128
  • 1路24位无失码的差分输入，在PGA=128时ENOB为20位(5V) 19.5位(3.3V)
  • P-P噪声：PGA=128、10Hz：180nV；
  • INL小于0.0015%
  • 输出速率可选：10Hz、40Hz、640Hz、1.28kHz
  • 带内短功能

应用场景

  • 工业过程控制
  • 电子秤
  • 液体/气体化学分析
  • 血液计
  • 智能变换器
  • 便携式设备
    cs1237

二、引脚说明

DVDD电源正极（3 - 5V）
DGND电源负极
AVDD基准源输入正
AGND基准源输入负
SCLKSPI时钟输入
DOUTSPI数据输入/输出
A+通道正输入
A-通道负输入

基准源输入说明：基准电压可以由外部输入也可是内部输出，如果要使用外部基准电压，要先关闭内部基准，内部基准控制由寄存器(refo_off)控制。

三、读写时序和数据输出格式说明

cs1237
读写参数配置过程简述，在DOUT DRDY/由高变低之后：

  1. 第1个到第24个SCLK，读取ADC数据。如果不需要配置寄存器或者读取寄存器，可以省略下面的步骤。
  2. 第25个到第26个SCLK，读取寄存器写操作状态。
  3. 第27个SCLK，把DOUT DRDY/输出拉高。
  4. 第28个到第29个SCLK，切换DOUT DRDY/为输入。
  5. 第30个到第36个SCLK，输入寄存器写或读命令字数据(高位先输入)。
  6. 第37个SCLK，切换DOUT DRDY/的方向(如果是写寄存器，DOUT DRDY/为输入；如果是读寄存器，DOUT DRDY/为输出)。
  7. 第38个到第45个SCLK，输入寄存器配置数据或输出寄存器配置数据(高位先输入/输出)。
  8. 第46个SCLK，切换DOUT DRDY/为输出，并把DOUT DRDY/拉高。update1/ update2被置位或清零。

cs1237
读数据
CS1237可以持续的转换模拟输入信号，当将DOUT DRDY/拉低后，表明数据已经准备好接受，输入的第一个SCLK来就可以将输出的最高位读出，在24个SCLK后将所有的24位数据读出，如果这时暂停SCLK的发送，DOUT DRDY/会保持着最后一位的数据，直到其被拉高，第25和26个SCLK输出配置寄存器是否有写操作标志，第25个SCLK对应的DOUT DRDY/为1时表明配置寄存器Config被写入了新的值，第26个SCLK对应的DOUT DRDY/为芯片扩展保留位，目前输出一直为0，通过第27个SCLK可以将DOUT DRDY/拉高，此后当DOUT DRDY/被再次拉低，表示新的数据已经准备好接受，进行下一个数据的转换。

数据输出格式
CS1237输出的数据为24位的2进制补码，最高位（MSB）最先输出。最小有效位（LSB）为(0.5VREF/Gain)/(2^23-1)。正值满幅输出码为7FFFFFH，负值满幅输出码为800000H。下表为不同模拟输入信号对应的理想输出码。
cs1237
根据上表可知，不同的增益，输入信号Vin范围也不同。

PGAVIN+ - VIN-
1±1.25V
2±0.625V
64±0.01953125V
128±0.009765625V

注意：因为 CS1237 内部的前置放大器和 Σ-Δ 调制器都需要一个共模电压范围 (Vcm)，所以输入信号要满足以下三个条件，有一个条件不符合，输出可能就会不正常。
差分电压：|AIN+ - AIN-| ≤ Vref / 2 x Gain。
共模电压：Vcm = (AIN+ + AIN-) / 2，Vcm最好接近Vref / 2。
AIN+，AIN-的输入电压：DGND ≤ AINx ≤ DVDD。

四、寄存器说明

读写参数配置，需要通过7bits 命令字去配置。
cs1237
CS1237只有一组Config寄存器
cs1237

五、电压和温度换算

电压的换算：
CS1237 是 24 位ADC，输出 24 位补码格式的数据，代表输入的差分电压：Vin(diff)​=AIN+ − AIN−。
其输出码值范围为：
正满量程：理论输出码为+8,388,607 (0x7FFFFF)，对应输入电压为+Vref / 2x增益。
负满量程：理论输出码为-8,388,608 (0x800000)，对应输入电压为-Vref / 2x增益。
即换算有符号的数据公式：Vin(diff)​=输出码值 / 2^23 x Vref / 2x增益。

温度的换算：
测量内部温度时，需要先校准再测量，芯片没有出厂校准，必须用两个已知温度点进行标定。注意：测量温度时，AIN+、AIN- 对外引脚无效，即采集不了输入信号。

cs1237

六、STM32F103驱动CS1237

准备工作

STM32F103C8T6最小系统板，CS1237 ADC模数转换模块，OLED显示模块等

接线说明

STM32F103CS1237
3.3VDVDD
GNDDGND
PA0SLCK
PA1DOUT
PB8OLED->SLC
PB9OLED->SDA
A + - A-差分信号

示例代码

CS1237.c

#include "cs1237.h"

void CS1237_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
}

void CS1237_DOUT_Input(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

void CS1237_DOUT_Output(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

int8_t CS1237_WirteByte(uint8_t data)  //写配置
{
	uint8_t i;
	uint32_t t=0;
	
	CS1237_DOUT_Input();
	
	while (DOUT_READ != 0)		//超时
	{
		if((t += 5) > CS1237_DEFAULT_TIMEOUT_US)
			return -1;
	}
	
	for (i = 0; i < 26; i++) {	//1-26 SCLK
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }
	
	CS1237_DOUT_Output();	//27 SCLK
	CS1237_DOUT_H 
	CS1237_SCLK_H
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
		
	for (i = 0; i < 2; i++) {	//28-29 SCLK
		CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2); 
    }
	
	for (i = 0; i < 7; i++) {	//30-36 SCLK
        if (CS1237_WRITE_REG & (0x40 > > i)) CS1237_DOUT_H  
        else CS1237_DOUT_L
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
		CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }
		
	CS1237_SCLK_H		//37 SCLK
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
	
	for (i = 0; i < 8; i++) {	//38-45 SCLK
        if (data & (0x80 > > i)) CS1237_DOUT_H
        else CS1237_DOUT_L
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
		CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }

	CS1237_DOUT_H
	CS1237_DOUT_Input();	//46 SCLK
	CS1237_SCLK_H
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
	
	return 0;
}

int8_t CS1237Reg(uint8_t *out)  //读配置
{ 
	uint8_t i;
	uint32_t t=0;
	uint8_t Data = 0x00;
	
	CS1237_DOUT_Input();
	
	while (DOUT_READ != 0)	//超时
	{
		if((t += 5) > CS1237_DEFAULT_TIMEOUT_US)
			return -1;
	}
	
	for (i = 0; i < 26; i++) {	//1-26 SCLK
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }
	
	CS1237_DOUT_Output();	
	CS1237_DOUT_H
	CS1237_SCLK_H	//27 SCLK
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
		
	for (i = 0; i < 2; i++) {	//28-29 SCLK
		CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2); 
    }

	for (i = 0; i < 7; i++) {	//30-36 SCLK
        if (CS1237_READ_REG & (0x40 > > i)) CS1237_DOUT_H  
        else CS1237_DOUT_L
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
		CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }
	
	CS1237_DOUT_Input(); //37 SCLK
	CS1237_SCLK_H
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
	
	for (i = 0; i < 8; i++) {	//38-45 SCLK
		CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        Data = ((Data < < 1) | (DOUT_READ ? 1 : 0));
		CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }

	CS1237_DOUT_Output();
	CS1237_DOUT_H
	CS1237_SCLK_H
	Delay_us(2);
	CS1237_SCLK_L
	Delay_us(2);
	
	*out = Data;
	
	return 0;
}

int8_t CS1237_ReadRaw24(int32_t *signed_out)
{
    uint8_t i;
    uint32_t raw = 0;
    uint32_t t = 0;

    CS1237_DOUT_Input();
	
	while (DOUT_READ != 0)	//超时
	{
		Delay_us(2);
		if((t += 10) > CS1237_DEFAULT_TIMEOUT_US)
			return -1;
	}

    for (i = 0; i < 24; i++) {
        CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        raw = (raw < < 1) | (DOUT_READ ? 1 : 0);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2);
    }

    for (i = 0; i < 2; i++) {
		CS1237_SCLK_H
		Delay_us(2);
        CS1237_SCLK_L
		Delay_us(2); 
    }

    raw &= 0xFFFFFFUL;
    if (raw & (1UL < < 23)) *signed_out = (int32_t)(raw | 0xFF000000UL);
    else *signed_out = (int32_t)raw;

    return 0;
}

float CS1237_Temperature(uint32_t Yb)
{
	int8_t error;
	float tempB;
	
	error = CS1237_WirteByte(0x02);
	
	if(error != 0)	OLED_ShowString(4, 1, "ERROR3");
	
	tempB = ((float)Yb * (273.15f + CS1237_TEMPA)) / ((float)CS1237_YA - 273.15f);  //单位℃
	
	return tempB;
}

main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "oled.h"
#include "cs1237.h"

uint8_t status;
int32_t val;
float diff_V, Temp;
uint8_t gain_table[4] = {1, 2, 64, 128};	//设置不同增益，输入差分范围也不一样，1：±1.25V；2：±0.625V；64：±0.01953125V；128：±0.009765625V

int main(void)
{
	OLED_Init();
	CS1237_Init();
	Delay_ms(100);
	
	OLED_ShowString(1, 1, "CS1237");
	OLED_ShowString(3, 4, "000.000V");
//	OLED_ShowString(4, 4, "0000.00");	//温度显示
	
	CS1237_WirteByte(0x00);
	Delay_ms(100);
	
	if(CS1237Reg(&status) == 0)
	{
		OLED_ShowString(1, 10, "0x");
		OLED_ShowHexNum(1,12,status,2);
	}else{
		OLED_ShowString(1, 10, "ERROR1");
	}
	
	while (1)
	{
        if (CS1237_ReadRaw24(&val) == 0) {
//            OLED_ShowSignedNum(4,1,val,7);
//			
			diff_V = ((float)val / 8388607.0f) * (1.25f / (float)gain_table[(status > >2) & 0x03]);
			
			OLED_ShowSignedFloat(3,4,diff_V,2,3);
			Delay_ms(100);
        } else {
            OLED_ShowString(3,4," ERROR2 ");
        }
		
		//温度检测
//		Temp = CS1237_Temperature(val);
//		OLED_ShowSignedFloat(4,4,Temp,3,2);
//		Delay_ms(100);
	}
}

效果展示

图一：A+接1.2V，A-接1.496V；图二：A+接1.815V，A-接1.2V。
cs1237

七、常见问题说明

Q：CS1237/CS1238 主要适用领域有哪些？
A：CS1237/CS1238是针对桥式传感器的低成本解决方案。一般应用于称重测量、压力测量等细分领域。如下图所示：
cs1237

Q：除了桥式传感器，CS1237/CS1238 还适用于其它应用领域吗？
A：取决于 AINP/AINN 端口的差分信号范围以及共模电压范围是否满足 Datasheet 的要求。如下图所示：
cs1237

Q：CS1237/CS1238 是否有单次转换模式？
A：否。CS1237/CS1238 只有连续转换模式。

Q：CS1237/CS1238 是否可以单端输入模式（AINN 接地）？
A：如问题 2 所述，输入信号需要满足共模与差模范围，一般情况下不建议单端输入的应用使用该系列产品。当 PGA=64/128 时，不允许 AINP 或 AINN 直接接地，否则测量信号异常；当PGA=1/2 时，由于 Buffer 开启的缘故，单端输入阻抗不宜太大（建议前端电路的输出阻抗几十欧姆以下），否则会影响线性。

Q：CS1237/CS1238 的工作电压范围是多少？为什么数据手册里面描述 4.5-5.5V、3.0V-3.6V 的？
A： 1、工作电压范围是 2.7V~5.5V。
2、数据手册描述的是两个典型电压值（5V/3.3V）的工作电流，并不是只能工作在这两个电压区间。
cs1237

Q：CS1237/CS1238 上电默认配置是什么？
A：上电默认配置是 PGA=128、DataRate=10Hz。

Q：CS1237/CS1238 的外置参考电压是否可以高于 VDD？
A：不可以。外置参考电压需满足条件：REFIN=1.5V~VDD。举例：桥式传感器的应用不允许传感器激励源以及参考输入使用 5.0V，而 VDD 使用 3.3V。

Q：在桥式传感器应用里，为什么 REFIN 与 REFOUT 连在一起？
A：使用传感器的激励源作为 ADC 的参考源，（桥式传感器应用）可以有效抑制漂移，降低系统对参考源的要求。其中 REFIN 为参考源输入，REFOUT 为传感器激励源。对于一般应用，两者通常连在一起，可以通过 REFOUT 引脚控制激励源的开启/关闭。如果系统使用外部激励源/参考源，则悬空 REFOUT 引脚即可，因此并不规定 REFIN 引脚必须与REFOUT 引脚连在一起。

Q：CS1237/CS1238 是否内置参考电压源？
A：否。CS1237/CS1238 的 REFOUT 引脚输出的激励信号为 VDD，起到控制激励源的作用。如有必要可以进入休眠模式，关闭激励源节省桥式传感器功耗。如下图所示：
cs1237
Q：实际应用中，多个称重传感器应该怎么与 ADC 连接？
A：如果传感器是测量同一物体（例如：厨房垃圾处理器），一般建议使用并联的方式。则相同类型的信号线连接在一起。对于传感器的要求是产品规格尽量一致，尤其是灵敏度需要一致，否则会导致偏载问题。如果使用 REFOUT 引脚输出 VS，需要注意传感器的激励电流是否在合理范围内。举例：
cs1237
如果系统不是测量同一个物体，则传感器单独连接不同的模拟通道或不同的 ADC。

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审核编辑 黄宇

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