基于CW32模块的ADS1115多路模数转换器设计
描述
ADS1115 器件是兼容 IIC 的 16 位高精度低功耗模数转换器 (ADC)，采用超小型无引线 X2QFN-10 封装和 VSSOP-10 封装。ADS111x 器件采用了低漂移电压基准和振荡器。ADS1114 和 ADS1115 还采用可编程增益放大器(PGA)和数字比较器。这些特性加以较宽的工作电源电压范围使得 ADS1115 非常适合功率与空间受限的传感器测量。
ADS111x 可在数据速率高达每秒 860 个样本 (SPS) 的情况下执行转换。PGA 可提供从 ±256mV 到±6.144V 的输入范围，从而实现精准的大小信号测量。ADS1115 具有 一个输入多路复用器 (MUX)，可实现两次差动输入测量或四次单端输入测量。在ADS1115 中可使用数字比较器进行欠压和过压检测。ADS1115既可在连续转换模式下工作，也可在单冲模式下工作。在单冲模式下，这些器件可在一次转换后自动断电；因此显著降低了空闲期间的功耗。
01 模块来源
模块实物展示：
02 规格参数
工作电压：2.0-5.5V
工作电流：150uA
采集精度：16位
采集通道：4通道
控制方式：IIC
管脚数量：10 Pin（2.54mm间距排针）
以上信息见厂家资料文件
03 移植过程
我们的目标是将例程移植至CW32F030C8T6开发板上【实现4路ADC采集电压功能】。首先要获取资料，查看数据手册应如何实现读取数据，再移植至我们的工程。
3.1 查看资料
ADS1115是采用的IIC通信，所以首先要了解IIC的地址与时序，再确定根据寄存器的设置。
器件地址
器件地址的设置见下表:
说明：当模块上的ADDR引脚接入GND时，其器件地址为1001000，最后一位数据是读写位。
时序
下图是读时序，步骤是：
IIC起始信号 -> 发送器件地址+0(写) -> 等待模块应答 -> 应答后发送寄存器地址 -> 等待模块应答 -> 重新发送起始信号 -> 发送器件地址+1(读) -> 等待模块应答 -> 应答后读取高8位数据 -> 读取完毕主机发送应答信号 -> 读取低8位数据 -> 读取完毕主机发送应答信号 -> 发送IIC停止信号
下图是写时序，步骤是：
IIC起始信号 -> 发送器件地址+0(写) -> 等待模块应答 -> 应答后发送寄存器地址 -> 等待模块应答 -> 应答后写入高8位数据 -> 等待模块应答 -> 写入低8位数据 -> 等待模块应答 -> 发送IIC停止信号
寄存器说明
ADS1115有四个寄存器，可通过IIC接口使用地址指针进入。
地址0X00为转换寄存器，它包含最后一次转换的结果。
地址0X01为配置寄存器，用于更改ADS1115的工作模式和查询设备状态。
另外两个寄存器，Lo_thresh和Hi_thresh，设置用于比较器函数的阈值，我们用不到。
配置寄存器有16位，用于控制工作模式、输入选择、数据速率、满量程范围和比较器模式。
第15位：OS，读操作时可以知道当前设备的工作状态；写操作时可以设置单次转换。本文配置为1（必须为断电模式下，当对OS写1时，设备会进入上电模式并完成一次数据转换，然后会自动将OS置0）
第14-12位：MUX为输入多路复用器，对输入模式进行选择，如下图有八种输入模式，分别是四种差分与四种单端输入，本文配置为A0单端输入（0x04）。（单端输入就是测量的数据有两个引脚，一个输出一个地。将测量的输出接入A0引脚，测量的地与ADS1115共地）
第11-9位：PGA为可编程增益放大器，设置FSR（满刻度的范围），本文配置为±4.096V（0x01）后面电压计算公式与这个有关。
第8位：MODE选择持续转换模式与单次转换模式(单次转换模式需要OS位触发)，本文配置为连续转换模式（0x00）
第7-5位：DR配置data rate数据传输速率，本文配置为128SPS（0x04）
第4-2位：对比较器的配置，我们不使用，默认为0即可（0x00） 第1-0位：本位配置为关闭比较器并将ALERT/RDY引脚设置为高阻抗模式（0x03）
最终得到的配置结果为1100_0010_1000_0011(0xC283)。
当前配置的是A0的引脚，我们后续获取数据也是从A0引脚读取。
16位转换寄存器以二进制的补码格式保存最后一次转换的结果。需要注意的是，在上电之后，转换寄存器被清除为0，并保持为0，直到第一次转换完成。
实现代码说明
读取到的ADC值如何换算为电压？
以PGA设置为4.96V为例。
电压 = 采集到的ADC值 * 分辨率
分辨率 = 测量电压范围 / (2^AD位数-1) = 4.096 / 2的15次方 = 0.000125V
分辨率也可以在数据手册中查看，见右图。其中125uV = 0.125mV = 0.000125V。
/******************************************************************
* 函 数 名 称：WriteADS1115
* 函 数 说 明：向ADS1115的add地址写入dat数据
* 函 数 形 参： add写入寄存器地址
* dat_H写入的高8位数据
* dat_L写入的低8位数据
* 函 数 返 回：0写入成功
* 1写入器件地址无应答
* 2写入寄存器地址无应答
* 作 者：LC
* 备 注：器件地址=0X90
******************************************************************/
uint8_t WriteADS1115(uint8_t add, uint8_t dat_H, uint8_t dat_L)
{
IIC_Start();//起始信号
IIC_Write(0x90);//器件地址
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
return 1;
IIC_Write(add);//寄存器地址
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
return 2;
IIC_Write(dat_H);//写入高8位
IIC_Wait_Ack();//等待应答
IIC_Write(dat_L);//写入低8位
IIC_Wait_Ack();//等待应答
IIC_Stop();//停止信号
return (0);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：ReadADS1115
* 函 数 说 明：读取ADS1115的数据
* 函 数 形 参：add读取的寄存器地址
* 函 数 返 回：-1-读取失败 其他-读取成功
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
float ReadADS1115(unsigned char add)
{
int i =0;
unsigned char dat[2]={0};
unsigned int num = 0;
float ret=0;
IIC_Start();//起始信号
IIC_Write(0x90);//器件地址+写
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
return -1;
IIC_Write(add);//寄存器地址
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
return -1;
do{
//超时判断
i++;
if( i > 20 ) return -1;
delay_1ms(1);
IIC_Start();//重新发送起始信号
IIC_Write(0x91);//器件地址+读
}while(IIC_Wait_Ack() == 1);
dat[0]=IIC_Read();//读高8位数据
IIC_Send_Ack(0);//应答
dat[1]=IIC_Read();//读低8位数据
IIC_Send_Ack(1);//非应答
IIC_Stop();//发送停止信号
//数据整合
num = ((dat[0]<<8) | (dat[1]));
//分辨率计算：测量电压范围/(2^AD位数-1)
// 分辨率= 4.096/2^15=0.000125
// 电压= 采集到的ADC值 * 分辨率
if(num>32768)
ret=(65535-num)*0.000125;
else
ret=num*0.000125;
return ret;
}
3.2 引脚选择
接线表
3.3 移植至工程
工程模板参考入门手册的工程模板
移植步骤中的导入.c和.h文件与【CW32模块使用】DHT11温湿度传感器相同，只是将.c和.h文件更改为bsp_ads1115.c与bsp_ads1115.h。这里不再过多讲述，移植完成后面修改相关代码。
在文件bsp_ads1115.c中，编写如下代码。
/*
* Change Logs:
* Date Author Notes
* 2024-06-20 LCKFB-LP first version
*/
#include "bsp_ads1115.h"
#include "stdio.h"
/******************************************************************
* 函 数 名 称：ADS1115_GPIO_Init
* 函 数 说 明：对IIC引脚初始化
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：1100_0010_1000_0011 WriteADS1115(0x01,0xc2,0x83);
******************************************************************/
void ADS1115_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; // GPIO初始化结构体
RCC_ADS1115_ENABLE(); // 使能GPIO时钟
GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SCL|GPIO_SDA; // GPIO引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 开漏输出
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH; // 输出速度高
GPIO_Init(PORT_ADS1115, &GPIO_InitStruct); // 初始化
//写入配置参数
WriteADS1115(0x01,0xC2,0x83);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：IIC_Start
* 函 数 说 明：IIC起始信号
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT();
SDA(1);
delay_us(5);
SCL(1);
delay_us(5);
SDA(0);
delay_us(5);
SCL(0);
delay_us(5);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：IIC_Stop
* 函 数 说 明：IIC停止信号
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();
SCL(0);
SDA(0);
SCL(1);
delay_us(5);
SDA(1);
delay_us(5);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：IIC_Send_Ack
* 函 数 说 明：主机发送应答
* 函 数 形 参：0应答 1非应答
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
void IIC_Send_Ack(unsigned char ack)
{
SDA_OUT();
SCL(0);
SDA(0);
delay_us(5);
if(!ack) SDA(0);
else SDA(1);
SCL(1);
delay_us(5);
SCL(0);
SDA(1);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：IIC_Wait_Ack
* 函 数 说 明：等待从机应答
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：1=无应答 0=有应答
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
unsigned char IIC_Wait_Ack(void)
{
char ack = 0;
unsigned char ack_flag = 10;
SDA_IN();
SDA(1);
delay_us(5);
SCL(1);
delay_us(5);
while( (GETSDA()==1) && ( ack_flag ) )
{
ack_flag--;
delay_us(5);
}
if( ack_flag <= 0 )
{
IIC_Stop();
return 1;
}
else
{
SCL(0);
SDA_OUT();
}
return ack;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：IIC_Write
* 函 数 说 明：IIC写一个字节
* 函 数 形 参：dat写入的数据
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
void IIC_Write(unsigned char dat)
{
int i = 0;
SDA_OUT();
SCL(0);//拉低时钟开始数据传输
for( i = 0; i < 8; i++ )
{
SDA( (dat & 0x80) >> 7 );
delay_us(2);
dat<<=1;
delay_us(6);
SCL(1);
delay_us(4);
SCL(0);
delay_us(4);
}
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：IIC_Read
* 函 数 说 明：IIC读1个字节
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：读出的1个字节数据
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
unsigned char IIC_Read(void)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
SCL(0);
delay_us(5);
SCL(1);
delay_us(5);
receive<<=1;
if( GETSDA() )
{
receive|=1;
}
delay_us(5);
}
return receive;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：WriteADS1115
* 函 数 说 明：向ADS1115的add地址写入dat数据
* 函 数 形 参：add写入寄存器地址 dat_H写入的高8位数据 dat_L写入的低8位数据
* 函 数 返 回：0写入成功 1写入器件地址无应答 2写入寄存器地址无应答
* 3写入高8位数据无应答 4写入低8位数据无应答
* 作 者：LC
* 备 注：器件地址=0X90
******************************************************************/
uint8_t WriteADS1115(uint8_t add,uint8_t dat_H,uint8_t dat_L)
{
IIC_Start();
IIC_Write(0x90);
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
{
printf("error 1
");
return 1;
}
IIC_Write(add);
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
{
printf("error 2
");
return 2;
}
IIC_Write(dat_H);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Write(dat_L);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop();
return (0);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：ReadADS1115
* 函 数 说 明：读取ADS1115的数据
* 函 数 形 参：add读取的寄存器地址
* 函 数 返 回：-1-读取失败 其他-读取成功
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
float ReadADS1115(unsigned char add)
{
int i =0;
unsigned char dat[2]={0};
unsigned int num = 0;
float ret=0;
IIC_Start();//起始信号
IIC_Write(0x90);//器件地址+写
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
return -1;
IIC_Write(add);//寄存器地址
if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
return -1;
do{
//超时判断
i++;
if( i > 20 ) return -1;
delay_ms(1);
IIC_Start();//重新发送起始信号
IIC_Write(0x91);//器件地址+读
}while(IIC_Wait_Ack() == 1);
dat[0]=IIC_Read();//读高8位数据
IIC_Send_Ack(0);//应答
dat[1]=IIC_Read();//读低8位数据
IIC_Send_Ack(1);//非应答
IIC_Stop();//发送停止信号
//数据整合
num = ((dat[0]<<8) | (dat[1]));
//数值计算取决于PGA配置
//2的15次方=32768
//设置的最大量程4.096
// if(num>32768)
// ret=((float)(65535-num)/32768.0)*4.096;
// else
// ret=((float)num/32768.0)*4.096;
//分辨率计算：测量电压范围/(2^AD位数-1)
// 分辨率= 4.096/2^15=0.000125
// 电压= 采集到的ADC值 * 分辨率
if(num>32768)
ret=(65535-num)*0.000125;
else
ret=num*0.000125;
return ret;
}
在文件bsp_ads1115.h中，编写如下代码。
/*
* Change Logs:
* Date Author Notes
* 2024-06-20 LCKFB-LP first version
*/
#ifndef _BSP_ADS1115_H_
#define _BSP_ADS1115_H_
#include "board.h"
#define RCC_ADS1115_ENABLE() __RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define PORT_ADS1115 CW_GPIOB
#define GPIO_SCL GPIO_PIN_8
#define GPIO_SDA GPIO_PIN_9
//SDA输入模式
#define SDA_IN() {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;
GPIO_Init(PORT_ADS1115, &GPIO_InitStruct);
}
//SDA输出模式
#define SDA_OUT() {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;
GPIO_Init(PORT_ADS1115, &GPIO_InitStruct);
}
#define SCL(BIT) GPIO_WritePin( PORT_ADS1115, GPIO_SCL, BIT?GPIO_Pin_SET:GPIO_Pin_RESET )
#define SDA(BIT) GPIO_WritePin( PORT_ADS1115, GPIO_SDA, BIT?GPIO_Pin_SET:GPIO_Pin_RESET )
#define GETSDA() GPIO_ReadPin( PORT_ADS1115, GPIO_SDA )
void ADS1115_GPIO_Init(void);
unsigned char WriteADS1115(unsigned char add,unsigned char dat_H,unsigned char dat_L);
float ReadADS1115(unsigned char add);
#endif
04 移植验证
在自己工程中的main主函数中，编写如下。
/*
* Change Logs:
* Date Author Notes
* 2024-06-20 LCKFB-LP first version
*/
#include "board.h"
#include "stdio.h"
#include "bsp_uart.h"
#include "bsp_ads1115.h"
int32_t main(void)
{
board_init(); // 开发板初始化
uart1_init(115200); // 串口1波特率115200
ADS1115_GPIO_Init();
printf("demo start
");
while(1)
{
//当前设置最大量程为4.096V
printf("A0 = %.4f
", ReadADS1115(0x00) );//读取A0的值
delay_ms(1000);
}
}
移植现象：将A0接入GND、3.3V和5V。
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