树莓派PICO使用INA226测量电流和总线电压(1)

        TI的INA226是一款不错的16位电流测量芯片,拥有非常高的性价比,而且测量精度能够覆盖我们大多数的应用场景,INA226的接线也比较简单,通过I2C读取数据会稍微麻烦一点。

        INA226可以在淘宝上直接买开发板,非常的便宜,我买的是100mΩ的版本,因为测试中测量的电压和电流并不是很高(3.3V总线电压和500mA最大测量电流),如果电流大,可以选择10mΩ的版本。

        测量的线路也非常简单,用PICO的3.3V输出电压作为INA226的Vcc输入并接到Vbus,将PICO的GND接到INA226的GND,同时接到IN-;Vbus接线到一个电位器中位,并将一端接到IN+;这样,3.3V输入电压通过电位器和采样电阻到地。剩下的就需要接I2C连线了,考虑到板子的距离(越短越好),我选择了PICO的pin 16和17作为I2C的接口。

        给测试板接上输入电源,简单的测量了一下各个位置的电压,没问题后,接上电脑开始写代码。

        在进行编程之前,我们有必要简单的了解一下如何从INA226获取数据,通过手册,我们得知,我们是通过I2C访问INA226的寄存器来获取测量数据,寄存器的编号和作用如下:

        在测量之前,必须先设置好两个寄存器,即0x01和0x05,第一个是配置寄存器,需要设置INA226的工作状态,第二个是校准寄存器,在校准寄存器设置之前,INA226是不会进行测量的。

        第一个配置寄存器需要设置4个参数,分别是采样平均次数,总线电压转换时间,分流器电压转换时间,还有操作模式。

        采样平均次数决定了采样的次数,并将这些值做平均处理,两个转换时间一个是针对Vbus,一个是针对Shunt Resistor,时间从140us到8244us不等,总的来讲,采样时间越长,得到的噪音越小,再加上平均次数,完成一次采样的时间是:平均次数 * ( 总线采样时间 + 分流器采样时间)。所以,需要用户自己针对自己的应用场景设置好这三个参数。

         第四个参数是工作模式:

        这个根据自己的需要选取,我选择的就是最后一个,连续测量Vbus和分流器。参数决定好之后,就可以设置0x01号寄存器了,寄存器参数组装的代码如下:


enum INA226_AVERAGE_TIMES
{
  IAT_1 = 0,
  IAT_4,
  IAT_16,
  IAT_64,
  IAT_128,
  IAT_256,
  IAT_512,
  IAT_1024,
  IAT_AMOUNT
};

enum INA226_CONVERSION_TIME
{
  ICT_140US,
  ICT_204US,
  ICT_332US,
  ICT_588US,
  ICT_1100US,
  ICT_2116US,
  ICT_4156US,
  ICT_8244US,
  ICT_AMOUNT
};

enum INA226_OPERATION_MODE
{
  IOM_POWER_DOWN_0,
  IOM_TRIGGERED_SHUNT_VOLTAGE,
  IOM_TRIGGERED_BUS_VOLTAGE,
  IOM_TRIGGERED_SHUNT_AND_BUS_VOLTAGE,
  IOM_POWER_DOWN_1,
  IOM_CONTINUOUS_SHUNT_VOLTAGE,
  IOM_CONTINUOUS_BUS_VOLTAGE,
  IOM_CONTINUOUS_SHUNT_AND_BUS_VOLTAGE,
  IOM_AMOUNT
};


uint16_t INA226Reset()
{
  return 0xC000;
}

uint16_t INA226Config(uint16_t average_times, uint16_t vbus_voltage_conversion_time, uint16_t shunt_voltage_conversion_time, uint16_t operation_mode)
{
    uint16_t result = 0x0400;
    average_times                 = min( average_times, IAT_1024 );
    vbus_voltage_conversion_time  = min( vbus_voltage_conversion_time,  ICT_8244US );
    shunt_voltage_conversion_time = min( shunt_voltage_conversion_time, ICT_8244US );
    operation_mode                = min( operation_mode, IOM_CONTINUOUS_SHUNT_AND_BUS_VOLTAGE );

    result = result | average_times << 9 | vbus_voltage_conversion_time << 6 | shunt_voltage_conversion_time << 3 | operation_mode;
    return result;
}

设置寄存器的代码如下:

#include "hardware/i2c.h"
#include "pico/binary_info.h"
#define I2C_SDA 16
#define I2C_SCL 17


void setup() 
{
    // put your setup code here, to run once:
    Serial.begin( 115200 );
    i2c_init( i2c_default, 100*1000 );
    gpio_set_function(I2C_SDA, GPIO_FUNC_I2C);
    gpio_set_function(I2C_SCL, GPIO_FUNC_I2C);
    gpio_pull_up(I2C_SDA);
    gpio_pull_up(I2C_SCL);
    bi_decl(bi_2pins_with_func(I2C_SDA, I2C_SCL,GPIO_FUNC_I2C));

    
    uint16_t config = INA226Config( IAT_4, ICT_588US, ICT_8244US, IOM_CONTINUOUS_SHUNT_AND_BUS_VOLTAGE );

    uint8_t data_1[3];
    data_1[0] = config_register;
    data_1[1] = config >> 8;
    data_1[2] = config & 0x00ff;    

    i2c_write_blocking(i2c_default, 0x40, data_1, sizeof(data_1), false );
}

        我使用的是PICO的SDK,代码稍微复杂点,首先是初始化 I2C,我们这儿使用I2C0,所以直接用i2c_default,并设置通讯速率是100K,如果是用I2C1,则只需要替换成 i2c1 就行了。PICO 已经定义了两个I2C通道:

extern i2c_inst_t i2c0_inst;
extern i2c_inst_t i2c1_inst;

#define i2c0 (&i2c0_inst) ///< Identifier for I2C HW Block 0
#define i2c1 (&i2c1_inst) ///< Identifier for I2C HW Block 1

#if !defined(PICO_DEFAULT_I2C_INSTANCE) && defined(PICO_DEFAULT_I2C)
#define PICO_DEFAULT_I2C_INSTANCE (__CONCAT(i2c,PICO_DEFAULT_I2C))
#endif

#ifdef PICO_DEFAULT_I2C_INSTANCE
#define i2c_default PICO_DEFAULT_I2C_INSTANCE
#endif

        然后就是分别设定16,17号脚的功能是I2C,拉高16, 17的电平,最后绑定16, 17号脚到I2C这个功能上。

        接下来就是选择参数,配置好平均次数,采样时间,模式等,得到一个uint16_t的值,这个值不能直接传递给INA226,因为I2C通讯传递的是大端数据,即高位在前(字节为单位),而PICO使用的是小端数据,所以,需要对数据进行一次位变换。传输的帧格式是:寄存器编号 + 大端数据,组装好数据帧就可以发送给INA226了。

        到此,第一步设置配置寄存器的工作就做好了,接下来还需要配置校准寄存器(参见 树莓派PICO使用INA226测量电流和总线电压(2))。

<think>好的,我需要帮助用户编写一个基于INA226的Python测试程序,支持外部配置采样次数并输出电流电压的平均值。首先,我需要了解INA226的基本工作原理通信方式。根据用户提供的引用内容,INA226通过I2C或SMBus接口通信,可以测量电流、电压功率,并且有可配置的采样次数转换时间。 用户的需求是编写一个Python程序,能够通过外部参数指定采样次数,然后计算这些采样值的平均值。我需要考虑以下几个步骤: 1. **硬件连接确认**:根据引用[2],INA226的接线方式是INPUT接电源正极,GND接电源负极,OUTPUT接用电器件。虽然用户提到没有接OUTPUT,但硬件连接正确是程序工作的前提,需要确保I2C线路连接正确,设备地址正确。 2. **I2C通信设置**:在Python中,通常使用smbus或machine库(针对MicroPython)来操作I2C。用户提供的引用[1]中提到使用MicroPython代码,可能是在树莓派Pico上运行,因此可能需要使用特定的库。 3. **配置INA226寄存器**:根据数据手册,需要配置校准寄存器、配置寄存器等。例如,设置采样次数、转换时间,以及模式(连续或触发)。用户需要能够通过外部参数调整采样次数,这可能涉及到配置寄存器中的平均模式设置。 4. **读取电流电压值**:INA226电流电压值分别存储在特定的寄存器中,读取后需要根据校准值进行计算。校准值需要根据分流电阻最大预期电流来计算。 5. **处理外部参数**:程序需要接受外部输入的采样次数参数,例如通过命令行参数,然后循环采样指定次数,存储数据,最后计算平均值。 6. **代码结构错误处理**:确保代码结构清晰,处理可能的I2C通信错误,例如设备未连接、地址错误等。 可能的难点包括正确配置寄存器,处理不同采样次数下的数据读取,以及确保计算的平均值准确。需要查阅INA226的数据手册确认寄存器的地址配置位的含义。例如,配置寄存器中的平均模式(Averaging Mode)可以设置采样次数为1、4、16、64、128、256、512或1024次。如果用户希望外部配置的采样次数不在这些预设值中,可能需要通过软件多次读取并取平均。 此外,校准值的计算是关键,需要根据使用的分流电阻值(例如0.1欧姆)最大预期电流来计算校准寄存器中的值,以确保测量精度。 最后,代码需要模块化,方便用户调用扩展,例如将配置、采样、计算平均值的部分分开,提高可读性重用性。</think>### 基于 INA226 的 Python 测试程序实现步骤 #### 1. **硬件准备与连接** - 确保 INA226 正确连接到 Raspberry Pi Pico 的 I2C 接口(默认引脚:GPIO4/5)。 - 确认 I2C 地址(参考引用[2],默认地址为 `0x40`,可通过引脚配置为其他地址)。 #### 2. **依赖库安装** ```python from machine import I2C, Pin import time ``` #### 3. **INA226 寄存器配置** 以下是关键寄存器地址(参考数据手册): - **配置寄存器**:`0x00`(设置采样模式、转换时间等) - **电流寄存器**:`0x01`(直接读取电流值) - **线电压寄存器**:`0x02` - **校准寄存器**:`0x05`(需根据分流电阻计算) #### 4. **完整代码实现** ```python from machine import I2C, Pin import time class INA226: def __init__(self, i2c, address=0x40, shunt_resistor=0.1, max_current=3.2): self.i2c = i2c self.address = address self.shunt_resistor = shunt_resistor self.max_current = max_current # 校准计算(公式来自数据手册) self.calibration_value = int(0.00512 / (self.shunt_resistor * self.max_current)) self._write_register(0x05, self.calibration_value) # 配置寄存器:平均模式 64次,线电压转换时间 1.1ms,连续测量模式 config = 0x4000 | 0x0080 | 0x0007 # 具体位定义需参考数据手册 self._write_register(0x00, config) def _write_register(self, reg, value): data = bytearray([(value >> 8) & 0xFF, value & 0xFF]) self.i2c.writeto_mem(self.address, reg, data) def _read_register(self, reg): data = self.i2c.readfrom_mem(self.address, reg, 2) return (data[0] << 8) | data[1] def read_current(self): raw_current = self._read_register(0x01) return raw_current * self.max_current / 32768 # 转换为实际电流(单位:A) def read_voltage(self): raw_voltage = self._read_register(0x02) return raw_voltage * 1.25e-3 # 转换为实际电压(单位:V) def main(samples=10): i2c = I2C(0, scl=Pin(5), sda=Pin(4), freq=100000) ina = INA226(i2c) current_sum = 0 voltage_sum = 0 for _ in range(samples): current_sum += ina.read_current() voltage_sum += ina.read_voltage() time.sleep(0.1) # 等待采样完成 print(f"平均电流:{current_sum/samples:.3f} A") print(f"平均电压:{voltage_sum/samples:.3f} V") # 通过命令行参数调用(示例) # import sys # if len(sys.argv) > 1: # main(int(sys.argv[1])) # else: # main() ``` #### 5. **关键功能说明** - **校准计算**:根据公式 $Cal = \frac{0.00512}{R_{shunt} \cdot I_{max}}$ 设置校准寄存器[^2]。 - **平均模式**:通过配置寄存器设置硬件平均次数(代码示例中为64次),若需更高灵活性,可通过软件多次读取。 - **单位转换**:电流值需根据校准参数寄存器范围转换($I = \frac{Raw \cdot I_{max}}{32768}$)[^2]。
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