Adafruit INA260：高精度电流、电压和功率传感器的全方位解析

在电子工程师的日常工作中，准确测量电流、电压和功率是一项至关重要的任务。今天，我们就来深入了解一款功能强大的传感器——Adafruit INA260电流、电压和功率传感器扩展板。

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一、概述

Adafruit INA260扩展板或许是你最后一次需要购买的电流传感解决方案。它不仅能替代两台万用表的功能，还具备惊人的精度和灵活性。它可以测量高侧或低侧直流电流、总线电压，并自动计算功率。在令人印象深刻的电压、电流和温度范围内，其测量精度优于1%，而且通过I2C接口以易于使用的格式传输数据。

该扩展板适用于任何兼容CircuitPython或Arduino的微控制器，以及像树莓派这样的单板计算机。它支持3V或5V逻辑，能够测量高达+36VDC的总线电压，但不适用于交流电压。

1. 选择测量侧

大多数电流测量设备都有一些显著的限制，影响其使用范围。许多设备只能进行低侧测量，当地参考点随电流变化时会出现问题。而INA260的“小姐妹”INA219B虽通过高侧测量避免了这个问题，但需要更换分流电阻来测量不同的电流范围。INA260则避免了这些限制，其集成的精密分流电阻使其能够在高侧或低侧测量高达+36V、连续15A的电流。

2. 工作原理

内部16位ADC测量集成的2毫欧（0.002欧姆）、0.1%分流电阻两端的电压，从而在令人印象深刻的电流范围内实现1.5 mA的分辨率（由于电阻极低，一些万用表可能会将其视为短路）。

在高侧配置中，可以准确获取总线电压测量值和功率计算结果。但对于想要在低侧配置中测量总线电压的高级玩家，需要切断连接V+和VBUS的跳线，并将VBUS引脚连接到电压总线。

需要注意的是，在切换感性负载时，由于电感反冲，瞬时电压水平可能会大大超过稳态水平。如果不采取预防措施保护芯片免受电感尖峰的影响，可能会导致芯片损坏。更多信息可参考相关链接。

二、引脚说明

1. 电源引脚

扩展板上的传感器需要2.7V至5.5V的电源，可轻松与大多数微控制器（如Arduino、Feather等）配合使用。

• Vcc：电源引脚，为扩展板供电，其电压应与微控制器的逻辑电平相同（例如，对于5V的Arduino，使用5V）。
• GND：电源和逻辑的公共接地端。

2. I2C逻辑引脚

• SCL：I2C时钟引脚，连接到微控制器的I2C时钟线。逻辑电平与Vcc相同，且已内置10K上拉电阻。
• SDA：I2C数据引脚，连接到微控制器的I2C数据线。逻辑电平与Vcc相同，且已内置10K上拉电阻。

3. 其他引脚

• Vin+：正输入引脚，用于高侧电流传感时连接电源，用于低侧传感时连接负载接地端。
• Vin-：负输入引脚，用于高侧电流传感时连接负载，用于低侧传感时连接扩展板接地端。
• Alert：中断输出引脚，可配置中断以触发各种“原因”，如超过或低于配置的电流、电压或功率设置。也用于信号单次转换完成。电压电平与Vcc相同。
• VBus：总线电压引脚。默认情况下，它与Vin+相连，但在进行低侧测量时，应切断扩展板右侧的VB跳线，并将VBus连接到电源总线，以便准确计算总线电压和总功率（VBus * 电流）消耗。

• A0和A1焊接跳线：可通过焊接将地址引脚拉高到VCC，根据下表更改I2C地址。	A1	I2C Address (hex)
  GND	0x40 (Default)
  GND	0x41
  VCC	0x44
  VCC	0x45

三、组装步骤

1. 准备排针

如有必要，将排针剪至合适长度。将排针插入面包板（长引脚朝下），这样焊接会更容易。

2. 安装扩展板

将扩展板放在排针上，使短引脚穿过扩展板的焊盘。

3. 焊接排针

确保焊接所有8个引脚，以实现可靠的电气连接。（有关焊接技巧，请查看优秀焊接指南）。焊接完成后，目视检查焊点。

4. 准备端子块

将端子块放在扩展板内，确保其朝外。将扩展板翻转，使端子引脚朝上。

5. 焊接端子块

先用烙铁支撑扩展板，焊接一个引脚。然后使用虎钳或辅助工具固定扩展板，焊接另一个引脚。焊接完成后，目视检查焊点，然后继续下一步。

四、Arduino使用

1. 接线

将INA260连接到Feather或Arduino非常简单：

• 如果使用Feather（3.3V），将Feather的3V连接到扩展板的VIN。
• 如果使用5V的Arduino（如Uno等），将Arduino的5V连接到扩展板的VIN。
• 将Feather或Arduino的GND连接到扩展板的GND。
• 将Feather或Arduino的SCL连接到扩展板的SCL。
• 将Feather或Arduino的SDA连接到扩展板的SDA。
• 将Vin+连接到电源以进行高侧电流传感，或连接到负载接地端以进行低侧传感。
• 将Vin-连接到负载以进行高侧电流传感，或连接到扩展板接地端以进行低侧传感。

2. 安装Adafruit_INA260库

要开始读取传感器数据，需要安装Adafruit_INA260库（代码可在GitHub仓库中找到）。该库可从Arduino库管理器中获取，建议使用此方法进行安装。

从IDE中打开库管理器，点击“Manage Libraries”菜单项，搜索“Adafruit INA260”，选择该库并点击“Install”。然后按照相同的步骤安装Adafruit BusIO库。

3. 示例代码

以下示例代码是标准库的一部分，展示了如何从INA260获取电流、电压和功率的传感器数据。

#include < Adafruit_INA260.h >
Adafruit_INA260 ina260 = Adafruit_INA260();

void setup() {
  // Wait until serial port is opened
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial) {
    delay(10);
  }
  Serial.println("Adafruit INA260 Test");
  if (!ina260.begin()) {
    Serial.println("Couldn't find INA260 chip");
    while (1);
  }
  Serial.println("Found INA260 chip");
}

void loop() {
  Serial.print("Current: ");
  Serial.print(ina260.readCurrent());
  Serial.println(" mA");
  Serial.print("Bus Voltage: ");
  Serial.print(ina260.readBusVoltage());
  Serial.println(" mV");
  Serial.print("Power: ");
  Serial.print(ina260.readPower());
  Serial.println(" mW");
  Serial.println();
  delay(1000);
}

4. 加载演示

打开“File” -> “Examples” -> “Adafruit_INA260 Library” -> “ina260_test”，并将其上传到连接了传感器的Arduino。此外，你可能需要添加代码来点亮NeoPixel灯带，以便有电流可供测量。如果你不熟悉使用NeoPixel库，请参考优秀的NeoPixel Überguide页面。

上传草图到开发板，打开串口监视器（“Tools” -> “Serial Monitor”），你应该能看到电流、电压和功率的值。

5. Arduino使用说明

首先，包含库并创建一个Adafruit_INA260对象，以便在后续的草图中使用。

#include < Adafruit_INA260.h >
Adafruit_INA260 ina260 = Adafruit_INA260();

然后，在setup函数中调用INA260对象的begin函数，初始化驱动程序并准备从传感器读取测量值。如果无法连接到INA260传感器，begin函数将返回false。此时，需要仔细检查电源和I2C接线。

if (!ina260.begin()) {
  Serial.println("Couldn't find INA260 chip");
  while (1);
}

最后，可以进行测量！readCurrent、readBusVoltage和readPower分别读取并返回以毫安、毫伏和毫瓦为单位的测量值。

Serial.print("Current: ");
Serial.print(ina260.readCurrent());
Serial.println(" mA");
Serial.print("Bus Voltage: ");
Serial.print(ina260.readBusVoltage());
Serial.println(" mV");
Serial.print("Power: ");
Serial.print(ina260.readPower());
Serial.println(" mW");

默认情况下，功率和电压测量仅在高侧电流传感时准确。要在低侧传感时调用readVoltage和readPower获得准确测量值，需要切断扩展板右侧的VB跳线，并将VBus引脚连接到总线。

五、Python & CircuitPython使用

1. 接线

CircuitPython微控制器接线

将INA260按照以下方式连接到开发板：

• 开发板的3V连接到传感器的Vin。
• 开发板的GND连接到传感器的GND。
• 开发板的SCL连接到传感器的SCL。
• 开发板的SDA连接到传感器的SDA。
• 传感器的Vin+连接到电源以进行高侧电流传感，或连接到负载接地端以进行低侧传感。
• 传感器的Vin-连接到负载以进行高侧电流传感，或连接到开发板接地端以进行低侧传感。

注意：此扩展板的I2C线上已包含上拉电阻，无需外部上拉电阻。

Python计算机接线

以树莓派为例，接线方式如下：

• 树莓派的3V3连接到传感器的VIN。
• 树莓派的GND连接到传感器的GND。
• 树莓派的SCL连接到传感器的SCL。
• 树莓派的SDA连接到传感器的SDA。

2. 安装库

CircuitPython安装INA260库

首先，确保你的CircuitPython开发板运行的是最新版本的Adafruit CircuitPython。然后，需要安装使用硬件所需的库，仔细按照步骤从Adafruit的CircuitPython库包中查找并安装这些库。我们的CircuitPython入门指南有关于如何安装库包的详细页面。

对于非Express开发板（如Trinket M0或Gemma M0），需要手动从库包中安装必要的库：

• adafruit_ina260.mpy
• adafruit_bus_device
• adafruit_register

在继续之前，确保开发板的lib文件夹或根文件系统中已复制了adafruit_ina260.mpy、adafruit_bus_device和adafruit_register文件和文件夹。然后连接到开发板的串行REPL，进入CircuitPython的>>>提示符。

Python安装INA260库

需要安装提供Python中CircuitPython支持的Adafruit_Blinka库。这可能还需要在你的平台上启用I2C，并验证你运行的是Python 3。由于每个平台都有所不同，且Linux经常更新，请访问CircuitPython on Linux指南，让你的计算机做好准备。

完成上述步骤后，从命令行运行以下命令：

sudo pip3 install adafruit-circuitpython-ina260

如果你的默认Python版本是3，可能需要运行pip代替。请确保不要在Python 2.x上使用CircuitPython，因为它不支持。

3. 使用示例

以下代码展示了如何初始化传感器并从Python REPL读取电流和电压：

import time
import board
import busio
import adafruit_ina260

i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)
ina260 = adafruit_ina260.INA260(i2c)

print("Current:", ina260.current)
print("Voltage:", ina260.voltage)
print("Power:", ina260.power)

4. 完整示例代码

import time
import board
import adafruit_ina260

i2c = board.I2C()  # uses board.SCL and board.SDA microcontroller
# i2c = board.STEMMA_I2C()  # For using the built-in STEMMA QT connector on a 
ina260 = adafruit_ina260.INA260(i2c)

while True:
    print(
        "Current: %.2f mA Voltage: %.2f V Power:%.2f mW"
        % (ina260.current, ina260.voltage, ina260.power)
    )
    time.sleep(1)

默认情况下，功率和电压测量仅在高侧电流传感时准确。要在低侧传感时调用readVoltage和readPower获得准确测量值，需要切断扩展板右侧的VB跳线，并将VBus引脚连接到总线。

六、下载资源

• 数据手册：包括INA260数据手册、TI设计资源等。
• 原理图：可查看扩展板的详细电路连接。
• 制造图纸：提供扩展板的尺寸信息。

Adafruit INA260传感器扩展板为电子工程师提供了一种高精度、灵活的电流、电压和功率测量解决方案。无论是在Arduino还是Python环境中，都能方便地进行使用。你在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。