基于I2C總線的多路負(fù)載電流及功率測量模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

姜涵

摘要：該文介紹了I2C總線技術(shù)在負(fù)載的電流功率采集測量中的應(yīng)用，并針對I2C的技術(shù)特點(diǎn)和電氣特征進(jìn)行了分析。同時介紹了I2C總線接口的芯片，電流/功率監(jiān)控芯片 INA220，并給出了測量模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理。

關(guān)鍵詞：I2C總線；電流/功率監(jiān)控；INA220；ZLG7290

中圖分類號：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）23-0139-02

1 I2C總線

I2C總線是雙向、兩線（SCL、SDA）、串行、多主控（multi-master）接口標(biāo)準(zhǔn)。在它的協(xié)議體系中，傳輸數(shù)據(jù)時都會帶上目的設(shè)備的設(shè)備地址，其地址由軟件給定，稱為主控制器的從地址。一般具有I2C總線的器件的SCL和SDA引腳都是集電極開路的輸出結(jié)構(gòu)，因此在實際應(yīng)用中，SCL和SDA信號線都必須加上3～10K左右的上拉電阻。多個具有I2C總線接口的器件可以連接在同一條I2C總線上，彼此之間通過不同的從地址區(qū)分，總線上不需要額外的地址譯碼器，主設(shè)備一般為微處理器，首先根據(jù)從設(shè)備的地址字節(jié)為其指定地址，一般包括7個地址位和1個操作位（R/～W），操作位用于表示后續(xù)的操作是讀還是寫。

2 INA220概述

INA220芯片是由美國TI（德州儀器）公司生產(chǎn)的一款電流及功率監(jiān)控器，帶有雙線接口，可以同時監(jiān)控電流路徑和總線電壓，總線電壓范圍在0～26V，器件供電電壓為3.3V～5V，內(nèi)置乘法寄存器，可以將測得的功率和電流以瓦特和安培為單位輸出。對主從總線兼容，雙線協(xié)議和主從協(xié)議互相之間也可以兼容，能夠提供數(shù)字電路的功率、電流及電壓的采集測量，并可設(shè)定校準(zhǔn)值以滿足一定的精度要求。

2.1 INA220芯片特性

INA220帶有I2C總線接口，通過兩條漏極是開路形式的雙向線路SCL和SDA連接到總線，并由主設(shè)備（一般為CPU）對其進(jìn)行初始化。INA220有兩個用于標(biāo)識地址的管腳，A0和A1，通過兩個管腳分別連接的是SCL、SDA、 GND 或Vs來決定INA220的從地址，其地址范圍1000000～1001111，寄存器地址范圍為00H～05H，分別是配置寄存器、分路電壓寄存器、總線電壓寄存器、功率寄存器、電流寄存器和校準(zhǔn)寄存器。校準(zhǔn)寄存器用來設(shè)定電流和功率寄存器的精度，以滿足實際需要，校準(zhǔn)寄存器還可以設(shè)定使電流和功率寄存器輸出與測量值等價的十進(jìn)制值。INA220接口電路如圖1所示，管腳Vin+和Vin-兩端接采樣電阻，根據(jù)實際精度需要，一般取20mΩ～1Ω。Vin-的電壓值等于共模電壓減去采樣電阻兩端的電壓差，INA220總線電壓通過VBus管腳測量，VBus直接連接Vin-管腳用來測量負(fù)載兩端的電壓值。

2.2 INA220精度設(shè)定及測量原理

校驗寄存器用來向INA220提供電流的采樣電阻的相關(guān)信息，INA220根據(jù)采樣電阻兩端的電壓降，就能計算出流經(jīng)負(fù)載的電流值大小，電流寄存器中的值即是通過公式：校驗寄存器值×分路電壓值÷4095計算得來。計算校準(zhǔn)值的第一步是確定電流的最低有效位，校驗寄存器的值是通過計算而得的，采樣電阻的阻值和電流最低有效位決定了計算精度。校驗寄存器值的計算步驟如下：首先確定已知量VBus_Max（最大總線電壓）、Vshunt_Max（分路電壓）和Rshunt（采樣電阻值），求出最大可能電流值MaxPossible_I= Vshunt_Max÷Rshunt，確定希望得到的最大電流值Max_Expected_I=MaxPossible_I。然后計算電流最低有效位LSB：首先計算出滿足設(shè)計要求的最低有效位的取值范圍，然后在該范圍內(nèi)選取合理的最低有效位值，值越小精度越大，通常LSB的典型值為接近范圍下限的整數(shù)，其計算公式為Minimum_LSB=Max_Expected_I÷32767、Maximum_LSB=Max_Expected_I÷4096。最后計算出校驗寄存器值Calibration=0.04096÷（Current_LSB×Rshunt）。功率的最低有效位LSB為電流最低有效位的20倍，最終用戶需將INA220電流和功率寄存器中的值乘以各自的LSB才是實際值。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足不同負(fù)載對供電電壓的不同需求，系統(tǒng)的負(fù)載供電模塊采用LM2576芯片對輸入電壓進(jìn)行降壓變換。LM2576是一種常用的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器芯片，本設(shè)計中使用了5組LM2576，通過調(diào)節(jié)外接電阻的阻值，可以將24v的輸入電壓分別轉(zhuǎn)換成12v、7.2v、5v、3.6v和3.3v的輸出電壓，同時對5路負(fù)載和系統(tǒng)其它器件進(jìn)行供電。負(fù)載的電流、功率、電壓等參數(shù)由INA220采集并計算，采樣電阻為1Ω，精度可達(dá)到μA、mW和mV級別。通過編寫I2C總線初始化、讀寫寄存器等函數(shù)，將5路負(fù)載參數(shù)傳輸至CPU寄存器中，再通過七段數(shù)碼管顯示。

4 總結(jié)

文中介紹了基于I2C總線的多路負(fù)載電流/功率測量模塊的系統(tǒng)設(shè)計過程。該系統(tǒng)經(jīng)過實際運(yùn)用驗證，可滿足多路負(fù)載同時工作，具有精度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，并且負(fù)載參數(shù)通過數(shù)碼管顯示，直觀易懂，通過按鍵開關(guān)控制，方便操作。由于I2C傳輸速率高并且穩(wěn)定，整個通信過程良好，而且通過程序控制了負(fù)載供電電源的通斷，使整個系統(tǒng)功耗和成本降低。

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