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아날로그회로(Analog Circuit)/ADC관련

[ZSC31014]STM32L432KC에서 I2C통신으로 센서 데이터 읽기 구현

by linuxgo 2025. 8. 2.
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아래는 STM32L432KC에서 ZSC31014의 Normal Operation Mode(Update Mode 또는 Sleep Mode)에서 **센서 데이터(브리지 데이터, 14비트)**와 **온도 데이터(8비트 또는 11비트)**를 I²C 인터페이스를 통해 읽는 C 코드를 제공합니다. 이 코드는 이전에 제공한 EEPROM 읽기/쓰기 코드(zsc31014_eeprom.c)에 추가로 통합되며, 동일한 STM32 HAL 라이브러리를 사용합니다. ZSC31014 데이터시트(REN_ZSC31014_DST_20160120_1.pdf, 페이지 33~36)를 기반으로 작성되었습니다.

가정 및 설정

  • MCU: STM32L432KC, HAL 라이브러리 사용.
  • I²C 설정:
    • ZSC31014 슬레이브 주소: 0x28 (EEPROM 워드 02HEX, 비트 [9:3], 7비트 주소 왼쪽 시프트).
    • I²C 클럭 속도: 100kHz (데이터시트 페이지 20, 100kHz 또는 400kHz 지원).
  • Normal Operation Mode:
    • Update Mode: 설정된 주기(Update_Rate, 워드 01HEX 비트 [5:4])로 자동 측정.
    • Sleep Mode: Read_MR 또는 Write_MR로 측정 요청 후 데이터 읽기.
    • 데이터 읽기 명령: Read_DF2 (브리지 14비트), Read_DF3 (브리지 + 8비트 온도), Read_DF4 (브리지 + 11비트 온도).
  • 데이터 구조 (페이지 33, Figure 3.6):
    • 1바이트: {S[1:0], B[13:8]} (상태 비트 + 브리지 상위 6비트).
    • 2바이트: {B[7:0]} (브리지 하위 8비트).
    • 3바이트: {T[10:3]} (온도 상위 8비트).
    • 4바이트: {T[2:0], xxxxx} (온도 하위 3비트 + 5비트 무시).
  • EEPROM 설정:
    • 워드 01HEX: Output_Mode = 0 (I²C), Temp_Res = 1 (11비트 온도), ClkSpeed = 0 (1MHz).
    • 워드 0FHEX (B_Config): PreAmp_Gain = 010 (6), A2D_Offset = 1000 (-1/2 ~ 1/2).
  • 주의사항:
    • Sleep Mode에서 첫 번째 Write_MR은 초기화되지 않은 데이터 반환 가능(페이지 31).
    • 상태 비트(S[1:0] = 11)로 EEPROM 무결성/센서 오류 확인(페이지 24).
    • 이전 코드의 함수(zsc31014_start_cm, zsc31014_start_nom 등)를 재사용.
#include "stm32l4xx_hal.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>

// I2C 핸들러 (STM32CubeMX에서 설정된 I2C1 사용 가정)
extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;

// ZSC31014 I2C 슬레이브 주소 (7비트 주소: 0x28, 데이터시트 페이지 20)
#define ZSC31014_I2C_ADDR (0x28 << 1) // 7비트 주소 왼쪽 시프트

// 명령 코드 (데이터시트 페이지 37, Table 3.6)
#define CMD_START_CM  0xA0 // Command Mode 진입
#define CMD_START_NOM 0x80 // Normal Operation Mode 복귀
#define CMD_EEPROM_READ_BASE  0x00 // EEPROM 읽기 명령 기본값 (0x00 ~ 0x13)
#define CMD_EEPROM_WRITE_BASE 0x40 // EEPROM 쓰기 명령 기본값 (0x40 ~ 0x53)

// 타임아웃 (ms)
#define I2C_TIMEOUT 100

// 함수 프로토타입
HAL_StatusTypeDef zsc31014_start_cm(void);
HAL_StatusTypeDef zsc31014_start_nom(void);
HAL_StatusTypeDef zsc31014_read_sensor_data(uint16_t *bridge_data, uint16_t *temp_data, uint8_t temp_res_11bit);
HAL_StatusTypeDef zsc31014_trigger_measurement(void);
HAL_StatusTypeDef zsc31014_read_eeprom(uint8_t word_addr, uint16_t *data);
HAL_StatusTypeDef zsc31014_write_eeprom(uint8_t word_addr, uint16_t data);
HAL_StatusTypeDef zsc31014_read_all_eeprom(uint16_t *data_array);
HAL_StatusTypeDef zsc31014_write_all_eeprom(uint16_t *data_array);


/**
 * @brief Command Mode 진입
 * @retval HAL_OK 성공, 그 외 에러
 */
HAL_StatusTypeDef zsc31014_start_cm(void) {
    uint8_t tx_data[3] = {CMD_START_CM, 0x00, 0x00}; // Start_CM 명령 + 데이터 0x0000
    HAL_StatusTypeDef status;

    status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, ZSC31014_I2C_ADDR, tx_data, 3, I2C_TIMEOUT);
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Start_CM 실패: %d\n", status);
        return status;
    }

    // 명령 완료 대기 (데이터시트: 10us, 페이지 37)
    HAL_Delay(1);
    return HAL_OK;
}

/**
 * @brief Normal Operation Mode 복귀 및 EEPROM 서명 업데이트
 * @retval HAL_OK 성공, 그 외 에러
 */
HAL_StatusTypeDef zsc31014_start_nom(void) {
    uint8_t tx_data[3] = {CMD_START_NOM, 0x00, 0x00}; // Start_NOM 명령 + 데이터 0x0000
    HAL_StatusTypeDef status;

    status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, ZSC31014_I2C_ADDR, tx_data, 3, I2C_TIMEOUT);
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Start_NOM 실패: %d\n", status);
        return status;
    }

    // 서명 업데이트 포함 최대 15ms 대기 (데이터시트 페이지 37)
    HAL_Delay(15);
    return HAL_OK;
}
/**
 * @brief 센서(브리지) 데이터와 온도 데이터 읽기
 * @param bridge_data 브리지 데이터(14비트) 저장 포인터
 * @param temp_data 온도 데이터(8비트 또는 11비트) 저장 포인터
 * @param temp_res_11bit 온도 해상도 (0: 8비트, 1: 11비트)
 * @retval HAL_OK 성공, 그 외 에러
 */
HAL_StatusTypeDef zsc31014_read_sensor_data(uint16_t *bridge_data, uint16_t *temp_data, uint8_t temp_res_11bit) {
    HAL_StatusTypeDef status;
    uint8_t rx_data[4];
    uint8_t byte_count = temp_res_11bit ? 4 : 3; // Read_DF4 (11비트) 또는 Read_DF3 (8비트)

    // 데이터 읽기 (Read_DF3 또는 Read_DF4)
    status = HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, ZSC31014_I2C_ADDR, rx_data, byte_count, I2C_TIMEOUT);
    if (status != HAL_OK) {
        printf("센서 데이터 수신 실패: %d\n", status);
        return status;
    }

    // 상태 비트 확인 (S[1:0], 데이터시트 페이지 24, Table 2.9)
    uint8_t status_bits = (rx_data[0] >> 6) & 0x03;
    if (status_bits == 0x03) {
        printf("진단 오류: EEPROM 무결성 또는 센서 오류\n");
        return HAL_ERROR;
    } else if (status_bits == 0x02) {
        printf("경고: Stale 데이터\n");
    }

    // 브리지 데이터 (14비트) 조합
    *bridge_data = ((rx_data[0] & 0x3F) << 8) | rx_data[1];

    // 온도 데이터 조합
    if (byte_count >= 3) {
        if (temp_res_11bit) {
            // 11비트 온도 데이터
            *temp_data = (rx_data[2] << 3) | ((rx_data[3] >> 5) & 0x07);
        } else {
            // 8비트 온도 데이터
            *temp_data = rx_data[2];
        }
    } else {
        *temp_data = 0; // 온도 데이터 요청되지 않음
    }

    printf("브리지 데이터: 0x%04X, 온도 데이터: 0x%04X\n", *bridge_data, *temp_data);
    return HAL_OK;
}

/**
 * @brief Sleep Mode에서 측정 요청 (Write_MR)
 * @retval HAL_OK 성공, 그 외 에러
 */
HAL_StatusTypeDef zsc31014_trigger_measurement(void) {
    HAL_StatusTypeDef status;

    // Write_MR 전송 (데이터시트 페이지 36, Figure 3.9)
    status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, ZSC31014_I2C_ADDR, NULL, 0, I2C_TIMEOUT);
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Write_MR 실패: %d\n", status);
        return status;
    }

    // 측정 완료 대기 (1MHz 클럭: 1.5ms, 데이터시트 페이지 31, Table 3.4)
    HAL_Delay(2);
    return HAL_OK;
}

/**
 * @brief 특정 EEPROM 워드 읽기
 * @param word_addr 워드 주소 (0x00 ~ 0x13)
 * @param data 읽은 16비트 데이터 저장 포인터
 * @retval HAL_OK 성공, 그 외 에러
 */
HAL_StatusTypeDef zsc31014_read_eeprom(uint8_t word_addr, uint16_t *data) {
    
    HAL_StatusTypeDef status;

    // Command Mode 진입
    status = zsc31014_start_cm();
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Command Mode 진입 실패\n");
        return status;
    }
    if (word_addr > 0x13) {
        printf("잘못된 워드 주소: 0x%02X\n", word_addr);
        return HAL_ERROR;
    }

    HAL_StatusTypeDef status;
    uint8_t tx_data[3] = {CMD_EEPROM_READ_BASE + word_addr, 0x00, 0x00}; // 읽기 명령
    uint8_t rx_data[3];

    // 읽기 명령 전송
    status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, ZSC31014_I2C_ADDR, tx_data, 3, I2C_TIMEOUT);
    if (status != HAL_OK) {
        printf("EEPROM 읽기 명령 전송 실패 (워드 0x%02X): %d\n", word_addr, status);
        return status;
    }

    // 데이터 수신 (5AHEX + 16비트 데이터)
    status = HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, ZSC31014_I2C_ADDR, rx_data, 3, I2C_TIMEOUT);
    if (status != HAL_OK) {
        printf("EEPROM 데이터 수신 실패 (워드 0x%02X): %d\n", word_addr, status);
        return status;
    }

    // 첫 바이트가 0x5A인지 확인
    if (rx_data[0] != 0x5A) {
        printf("EEPROM 읽기 응답 오류 (워드 0x%02X): 0x%02X\n", word_addr, rx_data[0]);
        return HAL_ERROR;
    }

    // 16비트 데이터 조합
    *data = (rx_data[1] << 8) | rx_data[2];
    
    // Normal Operation Mode 복귀
    status = zsc31014_start_nom();
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Normal Operation Mode 복귀 실패\n");
        return status;
    }
    return HAL_OK;
}

/**
 * @brief 특정 EEPROM 워드 쓰기
 * @param word_addr 워드 주소 (0x00 ~ 0x13)
 * @param data 쓸 16비트 데이터
 * @retval HAL_OK 성공, 그 외 에러
 */
HAL_StatusTypeDef zsc31014_write_eeprom(uint8_t word_addr, uint16_t data) {
    
    HAL_StatusTypeDef status;

    // Command Mode 진입
    status = zsc31014_start_cm();
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Command Mode 진입 실패\n");
        return status;
    }
    if (word_addr > 0x13) {
        printf("잘못된 워드 주소: 0x%02X\n", word_addr);
        return HAL_ERROR;
    }

    // T_Config(0x10), Osc_Trim(0x11)은 공장 설정 유지 경고
    if (word_addr == 0x10 || word_addr == 0x11) {
        printf("경고: 워드 0x%02X는 공장 설정 유지 권장\n", word_addr);
    }

    HAL_StatusTypeDef status;
    uint8_t tx_data[3] = {
        CMD_EEPROM_WRITE_BASE + word_addr, // 쓰기 명령
        (data >> 8) & 0xFF,               // 상위 바이트
        data & 0xFF                       // 하위 바이트
    };

    status = HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, ZSC31014_I2C_ADDR, tx_data, 3, I2C_TIMEOUT);
    if (status != HAL_OK) {
        printf("EEPROM 쓰기 실패 (워드 0x%02X): %d\n", word_addr, status);
        return status;
    }

    // 쓰기 완료 대기 (데이터시트: 10ms, 페이지 37)
   
    HAL_Delay(10);
    // Normal Operation Mode 복귀
    status = zsc31014_start_nom();
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Normal Operation Mode 복귀 실패\n");
        return status;
    }
    return HAL_OK;
}

/**
 * @brief 전체 EEPROM 읽기 (0x00 ~ 0x13)
 * @param data_array 20개 워드(16비트)를 저장할 배열
 * @retval HAL_OK 성공, 그 외 에러
 */
HAL_StatusTypeDef zsc31014_read_all_eeprom(uint16_t *data_array) {
    HAL_StatusTypeDef status;

    // Command Mode 진입
    status = zsc31014_start_cm();
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Command Mode 진입 실패\n");
        return status;
    }

    // 워드 0x00 ~ 0x13 읽기
    for (uint8_t word_addr = 0x00; word_addr <= 0x13; word_addr++) {
        status = zsc31014_read_eeprom(word_addr, &data_array[word_addr]);
        if (status != HAL_OK) {
            printf("EEPROM 읽기 실패 (워드 0x%02X)\n", word_addr);
            return status;
        }
        printf("워드 0x%02X: 0x%04X\n", word_addr, data_array[word_addr]);
    }

    // Normal Operation Mode 복귀
    status = zsc31014_start_nom();
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Normal Operation Mode 복귀 실패\n");
        return status;
    }

    return HAL_OK;
}

/**
 * @brief 전체 EEPROM 쓰기 (0x00 ~ 0x13)
 * @param data_array 쓸 20개 워드(16비트) 데이터 배열
 * @retval HAL_OK 성공, 그 외 에러
 */
HAL_StatusTypeDef zsc31014_write_all_eeprom(uint16_t *data_array) {
    HAL_StatusTypeDef status;

    // Command Mode 진입
    status = zsc31014_start_cm();
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Command Mode 진입 실패\n");
        return status;
    }

    // 워드 0x00 ~ 0x13 쓰기
    for (uint8_t word_addr = 0x00; word_addr <= 0x13; word_addr++) {
        status = zsc31014_write_eeprom(word_addr, data_array[word_addr]);
        if (status != HAL_OK) {
            printf("EEPROM 쓰기 실패 (워드 0x%02X)\n", word_addr);
            return status;
        }
        printf("워드 0x%02X에 0x%04X 쓰기 완료\n", word_addr, data_array[word_addr]);
    }

    // Normal Operation Mode 복귀 및 서명 업데이트
    status = zsc31014_start_nom();
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Normal Operation Mode 복귀 실패\n");
        return status;
    }

    return HAL_OK;
}


/**
 * @brief 메인 함수 예시 (사용 예시)
 */
void zsc31014_example(void) {
    HAL_StatusTypeDef status;
    uint16_t eeprom_data[20]; // 0x00 ~ 0x13 워드 저장 배열
    uint16_t bridge_data, temp_data;

    // 전체 EEPROM 읽기
    printf("EEPROM 전체 읽기 시작\n");
    status = zsc31014_read_all_eeprom(eeprom_data);
    if (status != HAL_OK) {
        printf("EEPROM 전체 읽기 실패\n");
        return;
    }

    // 특정 워드 읽기 (예: 워드 0x01)
    uint16_t single_data;
    printf("워드 0x01 읽기 시작\n");
    status = zsc31014_read_eeprom(0x01, &single_data);
    if (status == HAL_OK) {
        printf("워드 0x01: 0x%04X\n", single_data);
    } else {
        printf("워드 0x01 읽기 실패\n");
    }

    // 특정 워드 쓰기 (예: 워드 0x01에 0x0000 쓰기)
    printf("워드 0x01에 0x0000 쓰기 시작\n");
    status = zsc31014_write_eeprom(0x01, 0x0000);
    if (status == HAL_OK) {
        printf("워드 0x01 쓰기 완료\n");
    } else {
        printf("워드 0x01 쓰기 실패\n");
    }

    // 전체 EEPROM 쓰기 예시 (샘플 데이터)
    uint16_t sample_data[20];
    memset(sample_data, 0, sizeof(sample_data)); // 0으로 초기화
    sample_data[0x01] = 0x0004; // I2C, 1MHz, 11비트 온도, Update_Rate=25ms
    sample_data[0x02] = 0x0280; // 슬레이브 주소 0x28
    sample_data[0x0F] = 0x0A80; // PreAmp_Gain=6, A2D_Offset=-1/2 ~ 1/2
    printf("EEPROM 전체 쓰기 시작\n");
    status = zsc31014_write_all_eeprom(sample_data);
    if (status == HAL_OK) {
        printf("EEPROM 전체 쓰기 완료\n");
    } else {
        printf("EEPROM 전체 쓰기 실패\n");
    }

    // Sleep Mode에서 센서 데이터와 온도 데이터 읽기
    printf("Sleep Mode에서 센서/온도 데이터 읽기 시작\n");
    status = zsc31014_trigger_measurement(); // Write_MR
    if (status == HAL_OK) {
        status = zsc31014_read_sensor_data(&bridge_data, &temp_data, 1); // 11비트 온도
        if (status != HAL_OK) {
            printf("Sleep Mode 데이터 읽기 실패\n");
        }
    } else {
        printf("Write_MR 실패\n");
    }

    // Update Mode에서 센서 데이터와 온도 데이터 읽기
    printf("Update Mode에서 센서/온도 데이터 읽기 시작\n");
    status = zsc31014_read_sensor_data(&bridge_data, &temp_data, 1); // 11비트 온도
    if (status != HAL_OK) {
        printf("Update Mode 데이터 읽기 실패\n");
    }
}

코드 변경 및 추가사항

  1. 새 함수 추가:
    • zsc31014_read_sensor_data():
      •    센서(브리지) 데이터(14비트)와 온도 데이터(8비트 또는 11비트)를 읽음.
      •    temp_res_11bit 매개변수로 온도 해상도 선택(EEPROM 워드 01HEX 비트 2와 일치해야 함).
      •    상태 비트(S[1:0]) 확인 후 오류/경고 처리.
      •    데이터 패킷에서 브리지와 온도 데이터 추출.
    • zsc31014_trigger_measurement():
      •    Sleep Mode에서 Write_MR 명령으로 측정 요청.
      •    1MHz 클럭 기준 1.5ms 대기(페이지 31, Table 3.4).
    • 기존 함수(zsc31014_start_cm, zsc31014_start_nom 등)는 변경 없이 재사용.
  2. 예시 함수 업데이트:
    •    zsc31014_example()에 Sleep Mode와 Update Mode에서의 데이터 읽기 추가.
    •    샘플 EEPROM 데이터에 Update_Rate(25ms), PreAmp_Gain(6), A2D_Offset(-1/2 ~ 1/2) 설정 포함.
    •    sample_data[0x01] = 0x0004: I²C, 1MHz, 11비트 온도, Update_Rate=25ms.
    •    sample_data[0x0F] = 0x0A80: PreAmp_Gain=6, A2D_Offset=-1/2 ~ 1/2, Bsink 활성화.
  3. 타이밍:
    •    Sleep Mode Write_MR: 1.5ms 대기 (1MHz 클럭, 페이지 31).
    •    Update Mode: Update_Rate에 따라 주기적 데이터 갱신(예: 25ms, 페이지 29).
    •    HAL_Delay로 충분한 대기 시간 확보.
  4. 에러 처리:
    •    상태 비트(S[1:0])로 진단 오류(11) 또는 Stale 데이터(10) 확인.
    •    HAL 함수 반환값으로 I²C 통신 오류 체크.

사용 방법

  1. STM32CubeMX 설정:
    •    I²C1: 100kHz, 7비트 주소, SCL(PB6), SDA(PB7), 풀업 저항(1kΩ~10kΩ, 페이지 6).
    •    UART: 디버깅용 printf 출력(선택 사항).
    •    hi2c1 핸들러 초기화.
  2. 코드 통합:
    •    위 코드를 기존 프로젝트에 통합하거나 zsc31014_eeprom.c로 대체.
    •    main.c에서 zsc31014_example() 호출.
  3. 하드웨어 연결:
    •    ZSC31014 VDD: 3.3V (STM32L432KC와 동일).
    •    VSS: GND.
    •    SCL: PB6, SDA: PB7.
    •    VDD-GND 간 100nF~470nF 커패시터(페이지 6).
    •    I²C 라인에 2.2kΩ 풀업 저항.
  4. 빌드 및 테스트:
    •    STM32CubeIDE에서 빌드 및 플래시.
    •    시리얼 터미널로 출력 확인(EEPROM 데이터, 센서/온도 데이터).
    •    Sleep Mode: Write_MR 후 Read_DF4로 데이터 읽기.
    •    Update Mode: 주기적 Read_DF4로 데이터 읽기.
  5. EEPROM 설정 확인:
    •    워드 01HEX 비트 2 (Temp_Res)와 temp_res_11bit 매개변수 일치 필요.
    •    Update_Rate(워드 01HEX 비트 [5:4])로 Update Mode 주기 설정.

주의사항

  • Sleep Mode 첫 데이터:
    •    첫 번째 Write_MR은 초기화되지 않은 Auto-Zero/온도 데이터로 부정확할 수 있음. 두 번째 요청부터 확인(페이지 31).
  • 상태 비트:
    •    S[1:0] = 11이면 EEPROM 서명 오류 또는 센서 단락. zsc31014_start_nom() 실행 후 재시도(페이지 24).
  • EEPROM 설정:
    •    T_Config(0x10), Osc_Trim(0x11)은 공장 설정 유지 권장(페이지 41).
    •    sample_data는 응용에 맞게 수정(예: Gain_B, Offset_B 등).
  • 타이밍:
    •    Sleep Mode에서 Write_MR 후 1.5ms 대기 필수. Update Mode는 Update_Rate에 따라 대기 조정.
  • 디버깅:
    •    시리얼 출력으로 상태 비트와 HAL 에러 코드 확인.

추가 참고

  • 캘리브레이션:
    •    센서 데이터가 부정확하면 워드 03HEX~09HEX (Gain_B, Offset_B, Tcg, Tco 등) 재설정 필요(페이지 44~48).
  • Renesas 소프트웨어: 캘리브레이션 계수 계산에 사용(페이지 45).
  • 문서: ZSC31014 Technical Note-Detailed Equations for Calibration Math 요청(페이지 56).
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