基于LDC1614 1612的电感式位移传感器

0. 序言
1. LDC1614介绍
- 1.1 介绍
- 1.2 原理
- 1.3 主要引脚接法
2. I2C通信
- 2.2 写模式
- 2.3 读模式
3. 设备功能模式
- 3.1. 启动模式
- 3.2. 睡眠模式（配置模式）
- 3.3. 正常（转换）模式
- 3.4. 关机模式
- 3.5. 重启
4. 典型应用
- 4.1. 系统传感功能
- 4.2. 示例应用程序
- 4.3. 设计要求
- 4.4. 详细设计程序
- - 4.4.1. 软件操作流程
- 4.5. TI推荐的配置
5. 部分代码实现
- 5.1. 寄存器定义
- 5.2. 寄存器默认值
- 5.3. 寄存器初始化
- 5.4. 写寄存器
- 5.5. 读寄存器
- 5.6. 中断函数
6. 实际测试
- 6.1. I2C通信
- 6.2. 传感器谐振波形
- 6.3. 实测数据

0. 序言

最近因为开发电感传感器，而接触了LDC1614。使用TMS320F28335和DLC1614进行I2C通信，通过LDC芯片产生的电流通入传感器线圈中，再检测线圈谐振频率从而检测位置，过程从无到有。解读文档，编写程序，全程干货，助你快速上手。
原创不易，转载请标明出处。

1. LDC1614介绍

1.1 介绍

LDC1612、LDC1614为适用于电感感应的多通道28位（即分辨率为1/2^28）电感数字转换器，LDC1612为2通道，LDC1614位4通道。特性如下：
感应范围超过线圈直径的两倍
支持 1kHz 至 10MHz 的宽传感器频率范围
2.7V 至 3.6V 工作电压
多个基准时钟选项：内部时钟，或支持40MHz外部时钟
抗直流磁场和磁体干扰
通过I2C通信，来配置LDC1614寄存器，或是读取传感器数据输出。

1.2 原理

工作原理为：流过电感器的交流电流将产生交流磁场。如果一种导电材料，如金属物体，被带入电感器附近，磁场将在导体表面产生循环电流（涡流）。

涡流是导体的距离、大小和组成的函数。涡流产生它自己的磁场，这与传感器电感器产生的原始磁场相反。这种效应相当于一组耦合电感器，其中传感器电感器是主绕组，目标物体中的涡流代表二级电感器。电感器之间的耦合是传感器电感器与导电目标的电阻率、距离、尺寸和形状的函数。由涡流引起的二次绕组的电阻和电感可以建模为一端（线圈）上的与距离相关的电阻和感应分量。图49显示了传感器和目标作为耦合线圈的简化电路模型。

简而言之就是LDC通一个电流到线圈中，电流大小可以设置，通过检测LC振荡产生的正弦波频率来判断此时位置，芯片输出的数据是线圈频率与基准频率的比值。频率会根据目标的位置而变化。通常，当目标最接近传感器时，传感器的频率最高。

1.3 主要引脚接法

NAME	TYPE	DESCRIPTION	连接
SCL	I	I2C时钟输入。开漏输出；需要电阻上拉至逻辑高电平。	SCL
SDA	I/O	I2C数据输入/输出。开漏输出；需要电阻上拉至逻辑高电平。	SDA
CLKIN	I	外部参考时钟输入。如果使用内部振荡器，将该引脚连接至GND。	GND
ADDR	I	I2C地址选择引脚：当ADDR=L时，I2C地址=0x2A；当ADDR=H时，I2C地址=0x2B。不得允许此输入浮动。	GND
INTB	I	可配置中断输出引脚。推挽输出；不需要上拉。	GPIOx
SD	I	关机输入：设置SD=L为正常操作，设置SD=H为非活动模式。不得允许此输入浮动。	GND
INxA	I	外部LC传感器连接通道x	线圈
INxB	I	外部LC传感器连接连接x	线圈

2. I2C通信

LDC1614通过与主机进行通信，来发送或接收数据。主机发送数据到LDC的特定地址中，从而更改LDC的寄存器配置。LDC发送转换完的数据给主机，主机接收该数据以使用。

LDC1614的I2C通信方式包含读写两种，SCL时钟线最低频率10kHz，最高频率400kHz。每个芯片I2C通信的从机寄存器地址长度或传输数据长度可能不同。比如X1226（时钟芯片）的寄存器地址长度16位，数据长度8位。而LDC1614的寄存器地址长度8位，数据长度16位。同时主机数据方式读取方式也可能不同，比如X1226存在3中数据读取方式，而LDC1614只有一种。故程序不可能一成不变，要根据不同芯片编写。

注意，下面说的高8位，低8位并不是代表芯片输出数据为16位，实际应为28位。因为一个通道有两个寄存器DATA0_MSB与DATA0_LSB，两个合起来时28位，具体计算后面会详细说明。

2.2 写模式

1.主机产生起始信号。
2.主机发送从机主线（即LDC1614）的地址，该值通过ADDR引脚设置。当ADDR引脚设置为低时，设备I2C地址为0x2A；当ADDR引脚设置为高时，I2C地址为0x2B。前7位为地址，最后1位为0，表示主机写数据。
3.从机应答。
4.主机发送从机寄存器地址。
5.从机应答。
6.主机发送该寄存器中需要写的数据的高8位。
7.从机应答。
8.主机发送该寄存器中需要写的数据的低8位。
9.从机应答。
10.主机产生停止信号。

2.3 读模式

1.主机产生起始信号。
2.主机发送从机主线（即LDC1614）的地址，该值通过ADDR引脚设置。当ADDR引脚设置为低时，设备I2C地址为0x2A；当ADDR引脚设置为高时，I2C地址为0x2B。前7位为地址，最后1位为0，表示主机写数据。
3.从机应答。
4.主机发送从机寄存器地址。
5.从机应答。
6.主机产生起始信号。（这里开始和写模式不同）
7.主机发送从机主线（即LDC1614）的地址，最后1位为1，表示主机读数据。
8.从机应答。
9.从机发送该寄存器中的数据的高8位。
10.主机应答。
11.从机发送该寄存器中的数据的低8位。
12.主机不应答。
13.主机产生停止信号。

3. 设备功能模式

3.1. 启动模式

LDC上电后进入Sleep Mode，等待配置。一旦设备配置好，退出休眠模式并通过设置CONFIG开始转换。SLEEP_MODE_EN b0。

建议在休眠模式下配置LDC。如果需要修改LDC上的设置，将设备返回到睡眠模式，更改相应的寄存器，然后退出睡眠模式。

3.2. 睡眠模式（配置模式）

通过设置CONFIG进入休眠模式。SLEEP_MODE_EN寄存器字段为1。在此模式下，保留设备配置，但不进行转换。如果要进入普通模式进行转换，请设置CONFIG。SLEEP_MODE_EN寄存器字段为0。后设置配置。SLEEP_MODE_EN到b0，第一次转换的传感器激活将在16,384÷ƒINT结束后开始。有关设备计时的更多信息，请参阅时钟体系结构。

在休眠模式下，I2C接口是有效的，因此可以执行寄存器读和写操作。进入睡眠模式将清除所有转换结果，任何错误条件，并取消INTB引脚断言。

对于不需要连续转换的应用程序，在完成转换后将设备返回到Sleep模式，并重新读取所需的转换次数，可以节省功耗。有关更多信息，请参阅TI应用说明LDC131x/161x电感传感的功率降低技术。

3.3. 正常（转换）模式

LDC在正常(转换)模式下工作时，根据设备配置重复采样传感器的频率，生成有源通道的采样输出。

3.4. 关机模式

当SD引脚设置为高时，LDC将进入关机模式。关机模式是最低的电源状态。要退出关机模式并进入睡眠模式，请将SD引脚设置为低。进入关机模式将返回所有寄存器的默认状态。

当处于关机模式时，不执行任何转换。此外，进入Shutdown Mode将清除任何错误条件并取消断言INTB引脚(当取消断言时，INTB将被积极驱动至高)。当设备处于关机模式时，无法通过I2C接口对设备进行读写操作。

允许在关机模式下更改ADDR引脚设置。

3.5. 重启

可以通过写入RESET_DEV.RESET_DEV来重置设备。任何正在进行的转换都将停止，所有寄存器将返回到它们的默认值。这个寄存器位在读取时总是返回b0。

4. 典型应用

4.1. 系统传感功能

感应传感提供了其他技术无法提供的广泛系统优势——非接触式测量，抵抗灰尘/水，对外部磁铁的抗扰力，远程定位，廉价和健壮的传感器，以及极高分辨率的相对运动测量。

LDC1612/LDC1614可用于检测用于测量各种目标运动的广泛应用：
1.角度测量：参考1度拨号参考示例设计。
2.线性位置传感：关于传感器和目标结构的详细信息可在LDC1612/LDC1614线性位置传感应用说明中获得。对于绝对定位需求，建议使用差分2通道结构。
3.金属感应触摸式按钮：系统设计信息参考TI应用说明金属感应感应触摸式按钮设计指南，16按钮感应触摸式不锈钢键盘参考设计示例。

4.2. 示例应用程序

使用LDC1614的多通道实现的示例。该示例代表了一种轴向位移应用，其中目标运动垂直于线圈的平面。第二通道可用于感知第二目标的接近程度，或者它可用于通过连接参考线圈来进行环境补偿。

4.3. 设计要求

在该设计示例中，传感器0用于接近测量，传感器1用于温度补偿。使用WEBENCH线圈设计工具创建传感器。系统测量要求：
目标距离=1.0mm
距离分辨率=0.2µm
目标直径=10mm
目标材料=不锈钢(SS416)
线圈的PCB层数=2
应用程序需要 500 SPS (TSAMPLE = 2.00 ms)

以上为TI例程所给参数，实际测试的传感器为使用铜线手动绕的电感，并没有这些参数。

4.4. 详细设计程序

目标距离、分辨率和直径用TI软件（https://webench.ti.com/wb5/LDC/#/spirals）设计传感器线圈的输入，所得线圈设计为2层线圈，面积2.5cm2，直径17.7mm，旋转39圈。
Rp、L和C的值为：RP=6.6kΩ，L=43.9µH，C=100pF。
传感器频率：ƒSENSOR = 0.5π√(LC) = 0.5π√(43.910^-6 * 10010^-12) = 2.4 MHz
品质因数：Q=Rp*√(C/L)=9.96

Rp的由来是由于用于构造电感器的导体中的串联损耗，电感传感器本质上存在损耗。这些电阻损耗主要来自两个来源：在目标或其他附近的导体中耗散的能量，以及从电感器的导电绕组中产生的分布损耗。在测量Rp时，其目的是只测量目标上的涡流损失。传感器中的分布损耗降低了低直流流的测量动态范围。即使使用LDC131x或LDC161x设备测量电感（仅限L），更高的损耗也会降低测量精度。简而言之，Rp就是两种损耗等效为并联谐振电路后的电阻。

可以将40MHz的系统参考时钟应用于CLKIN引脚，允许灵活地设置内部时钟频率。传感器线圈连接到通道0（IN0A和IN0B引脚）。

4.4.1. 软件操作流程

打开LDC电源后，它将处于睡眠模式。如下寄存器编程（本例仅为通道0设置寄存器；通道1寄存器可以使用相同的配置）：

1.设置通道0的分频器
a.由于传感器频率小于8.75MHz，因此可以将传感器分频器设置为1，这意味着将字段FIN_DIVIDER0设置为0x1。默认情况下，ƒIN0=ƒSENSOR=2.4MHz。

b.ƒREF0的设计约束是> 4×ƒSENSOR。内部参考时钟频率43.4MHz满足此约束，因此可以将参考分频器设置为2。这是通过将FREF_DIVIDER0字段设置为0x02来实现的。ƒREF0的计算公式为：ƒREF0 =ƒCLK/FREF_DIVIDER0=21.7MHz。

c.CLOCK_DIVIDERS0寄存器(0x14)的组合值是0x1002。(报错，要根据传感器状态检测手册的说明，增加或减小了分频)

综上，ƒIN0=ƒSENSOR=2.4MHz，ƒREF0=21.7MHz，ƒCLK=43.4MHz。

这里所述的ƒIN0，ƒSENSOR，ƒREF0可以看下图进行理解。可以看出芯片给线圈通入一个电流，传感器为线圈即电感L，再加上电容C，构成了一个LC并联振荡电路。根据被测物体与线圈的距离，传感器频率经过分频后得到的ƒIN0与基准频率经过分频后得到的ƒREF0进行比较。

当然，这里并没有传感器参数fSENSOR0，所以无法算出激活时间。fSENSOR0可以通过示波器识别，后文会讲。这里的所有传感器数据使用TI文档参考值。

2.设置通道0的传感器激活时间
之所以要步骤2 3 4是因为当LDC序列在多通道模式下，每个通道的停留时间间隔为传感器激活时间+转换时间+通道开关延迟之和(sensor activation time + conversion time + channel switch delay)，如图53所示。Q按照10来计算。

a.SETTLECOUNT0≥Q×fREF0/(16×fSENSOR0)→5.2，四舍五入至6。为了提供系统公差，选择更高的值10。

b.寄存器0x10应被编程为至少10。

c.激活时间为：(10x16)/20,000,000=8µs。

d.SETTLECOUNT0寄存器(0x10)的组合值为0x000A。

3.计算通道0的通道开关延迟
ƒREF=21.7MHz的通道切换延迟为约1μs，计算公式如下：
Channel Switch Delay = 692 ns + 5/ƒREF0 = 922.4ns

4.设置通道0的转换时间
转换时间(tC0)预计为：采样时间-传感器激活时间-通道开关延迟=1000-8-1=991µs。这里的采样时间为人为设计的可调整，计算方法为：1/500/2=1ms=1000µs，这里500代表500 SPS，2代表需要采集2个通道。

a.要确定转换时间寄存器值，请使用以下等式并求解RCOUNT0：
转换时间(tC0)=(RCOUNT0ˣ16)/ƒREF0
可得RCOUNT0=tC0*ƒREF0/16=1334

b.故RCOUNT0的值为十进制1334（四舍五入）。

c.RCOUNT0寄存器(地址0x08)的组合值为0x0536。

5.启用ERROR_CONFIG寄存器
默认情况下，不启用任何中断。但这里我们启用所用中断，即ERROR_CONFIG.all = 0xF801。这样设置后，传感器有错误时会报出，主要错误有：
• 低量程错误
• 超量程错误
• 看门狗超时错误
• 幅值高错误
• 幅值低错误
• 零计数错误
• 数据就绪 (DRDY)

正常使用时不会产生任何错误，如果产生错误，则STATUS寄存器相应位置位1，同时INTB引脚上产生一个低电平。DRDY与其它错误不同，它在多通道模式转换完成时会将STATUS.bit.DRDY置位为1，同时也会在INTB引脚上产生一个低电平。读取STATUS寄存器则会将这个低电平变成高电平，同时清除STATUS内的数值。所以将INTB引脚接入GPIO口，利用INTB引脚产生的电平变化，作为DSP外部中断源。每当INTB产生下降沿，DSP就会进入中断读取数据。

6.设置传感器驱动器电流
要设置 IDRIVE0 字段值，请使用Rp = 6.6 kΩ从图55中读取值。在这种情况下，IDRIVE0 值应设置为 18（十进制）。在知道Rp值的时候，可以计算驱动电流计算公式得到的电流，从表格40中读取出需要的电流。驱动电流计算公式为：
IDRIVE = π * Vp ÷ 4Rp =3.14*(3.3/2)/(4 * 6.6*10^3)=196.25µA

综上，IDRIVE0为0x90，INIT_DRIVE0字段应设置为0x00。DRIVE_CURRENT0寄存器(地址0x1E)的组合值为0x9000。

因为我们的传感器为手动绕的，所以传感器RP未知。这时可以使用示波器设置IDRIVEx探测传感器振幅。监测INAx或INBx接地线上的信号振幅时，只需将传感器目标移动到距离传感器最远的计划工作距离，并在振幅稳定后测量通道振幅。如果传感器振幅小于1.5VP，则增加通道IDRIVE设置。如果传感器振幅稳定大于1.75VP，则降低通道IDRIVE设置。如果不同通道的传感器结构有显著差异，则每个通道重复此过程。实际测试如果不能满足幅值在1.5V到1.75V范围内，可以让幅值范围在1.2V到1.8V范围内亦可。

在更改电流后，可以通过示波器测量两个波峰之间的时间，从而得到大致的传感器谐振频率。

引用TI员工的说法：传感器引线长度越长，传感器等效的RS越大，维持传感器振荡需要的能量越多，如果RS过高（与RP过低相同），LDC可能无法有效驱动传感器，从而导致噪音增加，甚至传感器无法振荡。通常，建议尝试最小化RS以提高传感器性能。

7.设置MUX_CONFIG寄存器
a.设置AUTOSCAN_EN为b1，启用顺序模式。

b.设置RR_SEQUENCE为b10，选择4个通道（通道0、1、2、3）按顺序进行数据转换。

c.设置DEGLITCH为b100，设置输入抗尖峰脉冲滤波器带宽为3.3MHz，即超过最大传感器振荡频率的最低设置。可以理解为该值要设置为：比传感器能输出的最大频率2.4MHz大但必须最低。

d.MUX_CONFIG寄存器(地址0x1B)的组合值为0x820C。

8.设置CONFIG寄存器
a.设置ACTIVE_CHAN为b00，选择频道0连续转换。这里理论上讲应该无所谓，因为已经设置了多通道，这里设置多少应该没影响。

b.设置SLEEP_MODE_EN为b0，使设备处于活动状态。

c.设置RP_OVERRIDE_EN为b1，关闭自动校准功能。

d.设置SENSOR_ACTIVATE_SEL为b1，不使传感器为全电流激活模式，可以通过图55查看两种模式差异。可以看出，全电流模式所需稳定时间较短。

e.设置AUTO_AMP_DIS字段为b1，禁用自动振幅校正。

f.设置REF_CLK_SRC字段为b0，使用内部时钟源。这里TI文档中本来使用的是外部，但由于没有外部时钟源，所以使用了内部时钟源，内部时钟源频率43.4MHz。

g.将其他字段设置为默认值。

h.CONFIG寄存器(地址0x1A)的组合值为0x1401。

9.读取传感器经芯片转换后的数值
从寄存器地址0x00到0x03，每1.00ms读取通道0和通道1的转换结果。读取时必须先读取DATAx_MSB(地址0x00)，再读取DATAx_LSB(地址0x01)。注意这两个寄存器长度都是16位。DATAx_MSB的11:0位代表通道x转换结果的高12位，DATAx_LSB的15:0位代表通道x转换结果的低16位。整体的数据计算方法为：
DATAx = DATAx_MSB×65536 + DATAx_LSB。
代表含义为：

DATAx即为需要的结果，它代表传感器频率ƒINx与基准频率ƒREFx的比值，直接反应了被测物体的距离远近。

4.5. TI推荐的配置

根据详细设计程序一节中的示例配置，以TI建议值为例，使用以下寄存器写入顺序：

5. 部分代码实现

由于代码较多，这里只展示部分代码，实际大同小异。

5.1. 寄存器定义

//********************************************************DATA0_MSB**************************
struct DATA0_MSB_BITS {             //寄存器的位段定义Uint16 DATA0:12;          //  0:11Uint16 ERR_AE0:1;           // 12Uint16 ERR_WD0:1;          //13Uint16 ERR_OR0:1;           //14Uint16 ERR_UR0:1;           //15
};
union DATA0_MSB_REG {               //整体与各位段的联合体定义Uint16              all;struct DATA0_MSB_BITS  bit;
};
union DATA0_MSB_REG DATA0_MSB;

5.2. 寄存器默认值

void LDC1614_Regs_Reset()
{DATA0_MSB.all = 0x0000;//更多. . . . . .
}

5.3. 寄存器初始化

void LDC1614_Regs_Init()//仅展示通道3
{CLOCK_DIVIDERS3.all = 0x1002;OFFSET3.all=0x0000;SETTLECOUNT3.all = 0x000A;RCOUNT3.all = 0x0536;DRIVE_CURRENT3.all = 0xD800;DRIVE_CURRENT3.bit.IDRIVE3=22;ERROR_CONFIG.all = 0xF801;MUX_CONFIG.all = 0xC20C;CONFIG.all = 0x1C01;}

5.4. 写寄存器

void Write_LDC1614_Regs()//仅展示通道3
{LDC1614_WriteOneByte(CLOCK_DIVIDERS3_ADDRESS   ,   CLOCK_DIVIDERS3.all);       //通道3的参考值和传感器分频器设置LDC1614_WriteOneByte(OFFSET3_ADDRESS                  ,   OFFSET3.all);                       //通道3的偏移设置LDC1614_WriteOneByte(SETTLECOUNT3_ADDRESS     ,   SETTLECOUNT3.all);          //通道3参考计数设置（设置激活时间）LDC1614_WriteOneByte(RCOUNT3_ADDRESS                   ,   RCOUNT3.all);                       //通道3参考计数设置（设置转换时间）LDC1614_WriteOneByte(DRIVE_CURRENT3_ADDRESS    ,   DRIVE_CURRENT3.all);        //通道3电流传感器设备配置LDC1614_WriteOneByte(ERROR_CONFIG_ADDRESS     ,   ERROR_CONFIG.all);          //错误配置LDC1614_WriteOneByte(MUX_CONFIG_ADDRESS           ,   MUX_CONFIG.all);                //通道复用配置LDC1614_WriteOneByte(CONFIG_ADDRESS                     ,   CONFIG.all);                            //配置寄存器
}

5.5. 读寄存器

struct Output_Result Read_LDC1614_Dat(int ReadChanel)//仅展示通道3
{DATA3_MSB.all=LDC1614_ReadOneByte(DATA3_MSB_ADDRESS);//读取通道0的MSBDATA3_LSB.all=LDC1614_ReadOneByte(DATA3_LSB_ADDRESS);//读取通道0的LSB
}

5.6. 中断函数

interrupt void XInt2(void)//LDC的INTB端口产生一个下降沿，说明数据转换完成，此时触发外部中断2，进行数据读取
{static int i=3;sensor_data=Read_LDC1614_Dat(i);sensor_data.chanel3=DATA3_MSB.bit.DATA3*65536  +  DATA3_LSB.bit.DATA3;//根据公式将两个寄存器的值加起来STATUS.all=LDC1614_ReadOneByte(STATUS_ADDRESS);//读取状态寄存器的值，读取后状态寄存器会全部清零PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;//中断完成后要清除中断标志位
}

6. 实际测试

6.1. I2C通信

读取的数据波形如下：

放大后的读取数据时第1 2 3步的波形如下：

6.2. 传感器谐振波形

非全电流模式下传感器谐振波形如下，可以看到波形频率约300kHz，通过换算实际得到数据，也可以得到约300kHz。

多通道模式下通道3与通道0传感器谐振波形：

INTB引脚与传感器波形：

6.3. 实测数据

通过实验平台调整传感器与被测物体间的距离（单位mm），测量LDC输出的数据，结果如下：

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1.2 原理

1.3 主要引脚接法

2. I2C通信

2.2 写模式

2.3 读模式

3. 设备功能模式

3.1. 启动模式

3.2. 睡眠模式（配置模式）

3.3. 正常（转换）模式

3.4. 关机模式

3.5. 重启

4. 典型应用

4.1. 系统传感功能

4.2. 示例应用程序

4.3. 设计要求

4.4. 详细设计程序

4.4.1. 软件操作流程

4.5. TI推荐的配置

5. 部分代码实现

5.1. 寄存器定义

5.2. 寄存器默认值

5.3. 寄存器初始化

5.4. 写寄存器

5.5. 读寄存器

5.6. 中断函数

6. 实际测试

6.1. I2C通信

6.2. 传感器谐振波形

6.3. 实测数据

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