MCU芯片AS32A601與INA226芯片精確測量實現與應用
一、引言
為滿足精準的電源管理需求，國科安芯推出的AS32X601開發板特別搭載了INA226雙向電流/功率監測芯片。該芯片不僅支持高達36V的總線電壓，更能通過其集成的Δ-Σ ADC對分流電阻器上的壓降進行高精度采樣，從而實現毫伏級電壓與微安級電流的精確測量。這一特性使其非常適用于電池充放電監控、服務器/工控設備能耗分析以及太陽能系統發電效率評估等高級應用場景。
二、INA226簡介
2.1****引腳功能
INA226有兩個地址引腳，A0和A1。下圖描述了16個可能地址中的每一個的引腳邏輯。INA226模塊A0 A1****引腳被下拉至 ** GND ** ，故 ** IIC 地址則為 ** Write：1000 0000 0x80 Read：1000 0001 0x81
2.2****寄存器介紹
2.2.1配置寄存器 0x00
配置寄存器設置控制設備的工作模式。該寄存器控制分流和總線電壓測量以及所用的平均模式的轉換時間設置。
2.2.2分流電壓寄存器**** 0x01
用于存儲當前的分流電壓讀數Vshunt。負數采用二進制補碼格式表示。生成一個負數的補碼方法是：對其絕對值的二進制數取反，然后加1。如果最高有效位（MSB）為1，則表示這是一個負數。最小分辨率（Vshunt _LSB）為 2.5uV。
注：分流電壓最大81.92mV，而該模塊的采樣電阻是0.1R，故最大電流為 81.92mV / 0.1R = 819.2mA
分流電壓計算：Vshunt = 寄存器值 * Vshunt _LSB(2.5uV)
2.2.3.總線電壓寄存器 ** 0x02**
用于存儲最近一次的總線電壓讀數 Vbus。如果啟用了平均功能，則該寄存器顯示的是平均后的數值。滿量程范圍為 40.96V（對應 7FFF）；最小分辨率（Vbus_LSB）為 1.25 mV。
總線電壓計算：Vbus = 寄存器值 * Vbus_LSB(1.25 mV )
2.2.4.功率寄存器 ** 0x03**
用于存儲功率讀數 Power ，如果啟用了平均功能，該寄存器將顯示平均值。功率寄存器的最低有效位（LSB）在內部被設定為等于 Current_LSB 所設定值的 25 倍。功率寄存器通過將電流寄存器的十進制值與總線電壓寄存器的十進制值相乘來記錄以瓦特（Watts）為單位的功率。
功率計算： Power = 寄存器值 * Power_ LSB
由手冊可知 Power_LSB(功率最小分辨率) = Current_LSB(電流最小分辨率) * 25
Current_LSB 手冊給出了計算公式，如下
Current_LSB = 最大電流 / 2^15 = 819.2mA / 2^15 = 0.025mA
2.2.5.電流寄存器 ** 0x04**
用于存儲電流讀數 Current，如果啟用了平均功能，該寄存器將顯示平均值。電流寄存器的值是通過將分流電壓寄存器中的十進制值與校準寄存器中的十進制值相乘來計算的
電流值 = 寄存器值 * Current_LSB(0.05mA) (Current_LSB 的計算在上文功率寄存器小節已經給出)
2.2.6.基準寄存器 ** 0x05**
該寄存器為器件提供用于產生測量差分電壓的分流電阻值。它還設置電流寄存器的分辨率。編程該寄存器可設置 Current_LSB 和 Power_LSB。該寄存器也適用于整體系統校準。
該寄存器主要是設置系統基準的，將 基準值(CAL) 寫入寄存器即可
Current_LSB= 0.05mA (上文功率寄存器小節已經給出) ，根據原理圖可知 Rshunt = 0.1R
CAL = 0.00512 / (0.00005A * 0.1R) = 1024 = 0x0400
三、I2C時序說明
**3.1 **寫時序
FlagStatus I2C_MEEPROMWriteByte(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t addr, uint16_t reg, uint16_t data, uint32_t timeout)
{
/ 等待總線釋放 /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, I2C_BUS_IDLE))
{
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
if ((timeout--) == 0)
{
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_GenerateStart(I2Cx);
/ 等待啟動信號完成 /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_READY))
{
if ((timeout--) == 0)
{
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_WRITE);
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/ 等待從機接收完成地址并發送ack /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_WADDR_ACK))
{
if ((timeout--) == RESET)
{
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 0));
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/ 等待從機接收完成數據并發送ack /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))
{
if ((timeout--) == 0)
{
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_SendData(I2Cx, (data&0xff00)>>8);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/ 等待從機接收完成數據并發送ack /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))
{
if ((timeout--) == 0)
{
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_SendData(I2Cx, data&0x00ff);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/ 等待從機接收完成數據并發送ack /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))
{
if ((timeout--) == 0)
{
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return 1;
}
3.2 讀時序
FlagStatus I2C_MEEPROMRead(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t addr, uint16_t reg, uint8_t* pData, uint32_t Size, uint32_t timeout)
{
uint32_t num = 0x00;
/ 等待總線釋放 /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, I2C_BUS_IDLE))
{
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
if ((timeout--) == 0)
{
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_ACK);
I2C_GenerateStart(I2Cx);
/ 等待啟動信號完成 /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_READY))
{
if ((timeout--) == 0)
{
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_WRITE);
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/ 等待從機接收完成地址并發送ack /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_WADDR_ACK))
{
if ((timeout--) == 0)
{
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
// I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 8));
// I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
// / 等待從機接收完成數據并發送ack /
// while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))
// {
// if ((timeout--) == 0)
// {
// I2C_GenerateStop(I2Cx);
// I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
// return 0;
// }
// delay_ms(1);
// }
I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 0));
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/ 等待從機接收完成數據并發送ack /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))
{
if ((timeout--) == 0)
{
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_GenerateStart(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/ 等待從機接收完成數據并發送ack /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_REPEAT))
{
if ((timeout--) == 0)
{
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_READ);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/ 等待從機接收完成地址并發送ack /
while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_RADDR_ACK))
{
if ((timeout--) == 0)
{
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
for (num = 0; num < Size; num++)
{
if (num == (Size - 1))
{
/* IIC sends NACK */
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_NACK);
}
else
{
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_ACK);
}
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
/* Wait for the slave to send the completed data, and the host will send an ack */
while (!(I2C_CheckStatus(I2Cx, MREAD_DATA_ACK) || I2C_CheckStatus(I2Cx, MREAD_DATA_NACK)))
{
if ((Timeout--) == 0)
{
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return RESET;
}
delay_ms(1);
}
*pData++ = I2C_ReceiveData(I2Cx);
}
I2C_StartClear(I2Cx);
I2C_GenerateStop(I2Cx);
I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);
return SET;
}
四、程序
指令
#define I2C I2C0
// INA226 I2C地址（根據A0和A1引腳配置決定）
#define INA226_ADDRESS 0x40
// INA226寄存器定義
#define INA226_REG_CONFIG 0x00
#define INA226_REG_SHUNT_VOLT 0x01
#define INA226_REG_BUS_VOLT 0x02
#define INA226_REG_POWER 0x03
#define INA226_REG_CURRENT 0x04
#define INA226_REG_CALIB 0x05
#define INA226_REG_MASK_ENABLE 0x06
#define INA226_REG_ALERT_LIMIT 0x07
#define INA226_REG_MANUFACTURER 0xFE
#define INA226_REG_DIE_ID 0xFF
#define Byte_NUMBER 2
main.c
void main()
{
Systemclock_Init();
uint8_t rdata[2] = {0};
delay_init(SMU_ClocksStruct.AXIBus0_Frequency/1000000);
#ifdef DEBUG
IIC0_RESET();
delay_ms(100);
IIC0_SET();
#endif
/* Initialize print usart */
User_Print_Init(115200);
Printf( "INNA226 test begin! n");
User_I2C_Init();
/* Configuration Register */
I2C_MEEPROMWriteByte(I2C, INA226_ADDRESS, INA226_REG_CONFIG, 0x4527, 1000);
delay_ms(1);
/* Calibration Register */
I2C_MEEPROMWriteByte(I2C, INA226_ADDRESS, INA226_REG_CALIB, 0x0A00, 1000);
delay_ms(1);
/* Printf INNA226 ID */
I2C_MEEPROMRead(I2C, INA226_ADDRESS, INA226_REG_MANUFACTURER, rdata, Byte_NUMBER, 2000);
Printf("INNA226 ID:%x%x rn",rdata[0], rdata[1]);
for (int i = 0; i<10; i++)
{
/* Printf INA226_REG_SHUNT_VOLT */
uint16_t shuntVolt=0;
I2C_MEEPROMRead(I2C, INA226_ADDRESS, INA226_REG_SHUNT_VOLT, rdata, Byte_NUMBER, 2000);
shuntVolt = rdata[0]<<8&0xff00 | rdata[1];
Printf("SHUNT VOLT: %f mVrn", shuntVolt2.50.001);
delay_ms(10);
uint16_t busVolt=0;
I2C_MEEPROMRead(I2C, INA226_ADDRESS, INA226_REG_BUS_VOLT, rdata, Byte_NUMBER, 2000);
busVolt = rdata[0]<<8&0xff00 | rdata[1];
Printf("busVolt: %f mVrn", shuntVolt*1.25);
delay_ms(10);
/* Printf INA226_REG_POWER */
uint16_t Power=0;
I2C_MEEPROMRead(I2C, INA226_ADDRESS, INA226_REG_POWER, rdata, Byte_NUMBER, 2000);
Power = rdata[0]<<8&0xff00 | rdata[1];
Printf("Power: %f mWrn", Power*1.25);
/* Printf INA226_REG_SHUNT_VOLT */
uint16_t current=0;
I2C_MEEPROMRead(I2C, INA226_ADDRESS, INA226_REG_CURRENT, rdata, Byte_NUMBER, 2000);
current = rdata[0]<<8&0xff00 | rdata[1];
Printf("CUURET :%f mArn", current*0.02);
delay_ms(100);
Printf("--------------------------rn");
}
while (1);
}
五、實驗結果
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