本文介绍了MAX31856这款热电偶采集芯片的驱动程序设计

1、MAX31856热电偶采集芯片介绍

MAX31856 是 原美信（Maxim Integrated，现被 ADI 收购），生产的一种冷端补偿数字温度传感器，主要用于与热电偶一起使用来测量温度。它支持多种类型的热电偶，并且能够提供高精度的温度测量。MAX31856 集成了冷结补偿、故障检测和一个可配置的看门狗定时器等功能。

这种器件通常用于需要精确温度测量的应用中。它通过 SPI 接口与微控制器或其他主机系统通信，并且可以处理 K、J、N、T、E、R、S、B 和 C 类型的热电偶。

2、不同类型的热电偶简介

热电偶是温度测量中常用的传感器，它基于塞贝克效应（Seebeck effect），即两种不同金属接触时，在温度差异下会产生电压差。根据所使用的材料不同，热电偶可以分为多种类型，每种类型的热电偶都有其特定的温度范围、精度和应用场合。以下是几种常见类型的热电偶介绍：

J型（铁-铜镍）
特点：价格低廉，适合在氧化性或惰性环境中使用，但在还原气氛中不稳定。

K型（镍铬-镍铝）
特点：最常用的一种热电偶，具有较宽的工作温度范围，适用于大多数工业应用。

E型（镍铬-铜镍）
特点：在低温区有较高的灵敏度，适合精确测量。

T型（铜-铜镍）
特点：常用于低温测量，如冷冻设备或超导实验。

R型（铂铑13%-铂）
特点：高温性能良好，适合高精度要求的测量。

S型（铂铑10%-铂）
特点：与R型类似，但对温度变化更敏感，通常用于实验室环境下的精密测量。

B型（铂铑30%-铂铑6%）
特点：适用于极高温度测量，不推荐用于低温，因为其输出信号在低温区域非常低。

N型（镍铬硅-镍硅）
特点：改进了K型在某些温度下的稳定性问题，减少了磁干扰的影响。

选择热电偶类型时，需要考虑测量温度范围、精度需求、环境条件（如是否存在腐蚀性气体）、成本以及安装便利性等因素。此外，不同的热电偶可能需要配对相应的补偿导线以确保准确的温度读数。

3、驱动程序实现

在数据手册的表6中列出了该芯片的所有寄存器：

常规应用使用最多的几个寄存器如下：

• 0x00/0x80 CR0 配置0
• 0x01/0x80 CR1 配置1
• 0x02/0x82 FMASK 错误输出配置
• 0x0C-0x0E 温度值寄存器
• 0x0F FS 错误状态寄存器

3.1、主要配置功能：

采集模式相关配置：
MAX31856可以使用单次采样模式，收到指令后采样；也可以设置成连续采样模式，芯片自动每隔一段时间采集一次温度数据并更新到温度寄存器。

• 连续采集模式，需要将CR0寄存器的bit7置1，使能自动模式
• 单次采集，每次向CR0寄存器bit6置1，触发芯片进行一次采集，采集完成后bit6自动清零。（如果使能了自动模式，该功能无效）
  多次采集均值，CR1寄存器的bit6-bit4可以配置至多16次采样求平均值；此外，CR1寄存器的bit3-bit0可以配置外接热电偶的类型（K、J…）

开路错误识别的类型：
MAX31856可以自动识别热电偶开路故障，需要配置CR0寄存器的bit5-bi4，配置表如下：

如图，可以关闭开路检测功能，也可以使能，开启的情况有三种，可以根据实际应用选择，通产来讲需要测量一下使用的热电偶的电阻，然后选择配置01和配置10或者11，而配置10和配置11的区别在于对识别准确度的要求，检测时间越长，准确度越高。

冷端补偿相关配置：
MAX31856支持冷端补偿，当然也可以手动关闭，CR0寄存器的bit3可以使能冷端补偿（0：Enable）默认是开启的；冷端补偿的开启会增加每次温度采样转换的时间。

错误输出配置：
FMASK寄存器可以选择哪些错误触发FAULT引脚的输出，默认是全部关闭的；FS状态寄存器指示错误情况；一般只需关注FS寄存器的bit1和bit0，电压错误和开路错误。

实际上在有外部控制器的情况下，MAX芯片自带的一些温度上下限报警，冷端温度上下限报警等功能是使用不到的。我们基于K型热电偶，实现MAX31856的驱动程序设计。

代码初始化：

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/**
 * max31856 init
 */
void spi_max31856_init0(void) {
    /* reg_addr: 0x80(write) reg_data:0x91 auto mode, enable CJ, open circuit detect, 50Hz filter */
    uint8 reg_addr_data[2] = {0x80, 0x91};
    spi_max31856_cs05_low();
    spi_max31856_write_bytes0(reg_addr_data, 2);
    spi_max31856_cs_high();
}

3.2、读取温度数据:

温度数据的格式如下：


如果以32位数据读取后，需要按位右移5位，确保数据右对齐，32位数据表示的整型数据是实际数据的2的7次方倍，所以整型数据除以128就是实际得到的温度数据，代码如下：

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/**  
 * Read temperature value from max31856 * @return temperature 
 */
 float spi_max31856_read_temperature0(void) {  
    uint8 reg_addr = 0xC;  
    uint8 reg_data[3] = {0};  
    spi_max31856_cs05_low();  
    spi_max31856_write_bytes0(&reg_addr, 1u);  
    spi_max31856_read_bytes0(reg_data, 3u);  
    /* reg value = actually value * 128 */
    uint32 value = reg_data[0] << 11 | reg_data[1] << 3 | reg_data[2] >> 5; 
    
    spi_max31856_cs_high();  
    return (float) (value) / 128.0f;  
}

上述代码中的spi接口依据硬件平台，本例测试用的STM32，可作参考，定义如下：

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#define spi_max31856_cs_high() HAL_GPIO_WritePin(SENSOR_SPI_A0_GPIO_Port, SENSOR_SPI_A0_Pin | SENSOR_SPI_A1_Pin | SENSOR_SPI_A2_Pin, GPIO_PIN_SET);
#define spi_max31856_cs05_low() HAL_GPIO_WritePin(SENSOR_SPI_A0_GPIO_Port, 

#define spi_max31856_write_bytes0(x, y) HAL_SPI_Transmit(&hspi1, x, y, 10)
#define spi_max31856_read_bytes0(x, y) HAL_SPI_Receive(&hspi1, x, y, 10)
#define spi_max31856_write_bytes5(x, y) HAL_SPI_Transmit(&hspi2, x, y, 10)
#define spi_max31856_read_bytes5(x, y) HAL_SPI_Receive(&hspi2, x, y, 10)

4、演示效果：

在室温18℃的环境下，将热电偶移动到茶杯（刚泡不久的茶）上方，可以发现温度立刻上升了；

许可协议

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