中级
30 分钟

使用INA3221和ATmega328实时准确测量电压-电流-功率(VCP)参数

电压-电流-功率监控的未来

VCP Monitor 2 Click with Arduino UNO Rev3

已发布 6月 26, 2024

点击板

VCP Monitor 2 Click

开发板

Arduino UNO Rev3

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

ATmega328

持续监测电压、电流和功率水平,确保电气系统的安全高效运行。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

VCP Monitor 2 Click 基于 Texas Instruments 的 INA3221,这是一款带有报警指示功能的三通道高端电流和总线电压监控器,确保预期的应用在所需的工作条件下运行。它对三个感兴趣的电源(CH3 - CH1)进行两次测量。通过负载电流通过分流电阻产生的电压在 IN+ 和 IN- 引脚之间测量。该器件还在每个通道的 IN- 引脚内部测量电源总线电压。分流电压相对于 IN- 引脚测量,总线电压相对于地测量。用于通道测量的芯片 INA3221-Q1 通常由 2.7V 到 5.5V 范围内的单独电源供电。监测的电源总线范围为 0V 到 26V。INA3221-Q1 对每个通道进行两次测量:一次分流电压和一次总线电压。每个测量可以根据配置模式设置独立或顺序进行。当 INA3221-Q1 处于正常工作模式时,器件连续转换分流电压读取,然后是总线电压读取。此过程转换一个通道,然后继续到下一个启用通道的分流电压读取,然后是该通道的总线电压读取,依此类推,直到所有启用的通道都被测量。编程的配置寄存器模式设置适用于所有通道。任何未启用的通道在测量序列中被绕过,无论模式设置如何。INA3221-Q1 有两种工作模式:连续

和单次触发,这决定了这些转换完成后的内部 ADC 操作。当 INA3221-Q1 设置为连续模式时,器件继续循环通过所有启用的通道,直到编程新的配置设置。配置寄存器模式控制位还允许选择仅转换分流或总线电压的模式。此功能进一步允许设备适应特定的应用要求。在单次触发模式下,将任何单次触发转换模式设置为配置寄存器会触发单次转换。此操作会为所有启用的通道生成一组测量值。要触发另一次单次转换,请第二次写入配置寄存器,即使模式没有改变。当启动单次转换时,所有启用的通道将测量一次,然后器件进入掉电状态。INA3221-Q1 寄存器可以随时读取,即使在掉电状态下也是如此。除了两种工作模式,INA3221-Q1 还有一个单独的可选择掉电模式,可以减少静态电流并关闭进入 INA3221-Q1 输入的电流。掉电模式可减少设备未使用时的电源消耗。从掉电模式完全恢复需要 40 µs。在掉电模式下可以读取和写入 INA3221-Q1 寄存器。设备将保持在掉电模式,直到将活动模式设置之一写入配置寄存器。VCP Monitor 2 Click 还提供可编程阈值,确保预期应用在所需工作条件下运行。通过四个警报引脚可

以实现多种监控功能:Critical(关键),Warning(警告),PV(电源有效)和 TC(定时控制)。这些警报引脚的状态可以通过 PCA9538A 访问,这是一个带中断和复位功能的低电压 8 位 GPIO 扩展器。当任何警报引脚状态发生变化时,开漏中断(INT)输出被激活。此信号用于通知微控制器总线电压不在所需工作条件内。PCA9538A 使用 I2C 通信协议读取警报监控引脚的当前状态,并具有可更改的从地址以避免高级系统中的总线冲突。为了直观地表示任何超出编程阈值的偏差,警报监控引脚连接到 Click 板™ 上的 4 个 LED。VCP Monitor 2 Click 支持 I2C 通信协议。由于 Click 板™ 上有两个从设备,焊接的 SMD 跳线方便地放置以便轻松重新配置 I2C 从地址。INA3221-Q1 有一个用于一个地址引脚的十字形跳线选择,具有连接到 GND,VCC,SDA 或 SCL 的四个可能地址。另一个 PCA9538A,有两个用于地址引脚 A1 和 A0 的跳线,可能有四个不同的从地址,使此 Click 板™ 灵活地用于与共享同一总线的各种外围设备的其他系统中。

VCP Monitor 2 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Arduino UNO 是围绕 ATmega328P 芯片构建的多功能微控制器板。它为各种项目提供了广泛的连接选项,具有 14 个数字输入/输出引脚,其中六个支持 PWM 输出,以及六个模拟输入。其核心组件包括一个 16MHz 的陶瓷谐振器、一个 USB 连接器、一个电

源插孔、一个 ICSP 头和一个复位按钮,提供了为板 子供电和编程所需的一切。UNO 可以通过 USB 连接到计算机,也可以通过 AC-to-DC 适配器或电池供电。作为第一个 USB Arduino 板,它成为 Arduino 平台的基准,"Uno" 符号化其作为系列首款产品的地

位。这个名称选择,意为意大利语中的 "一",是为了 纪念 Arduino Software(IDE)1.0 的推出。最初与 Arduino Software(IDE)版本1.0 同时推出,Uno 自此成为后续 Arduino 发布的基础模型,体现了该平台的演进。

Arduino UNO Rev3 double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

AVR

MCU 内存 (KB)

32

硅供应商

Microchip

引脚数

32

RAM (字节)

2048

你完善了我!

配件

Click Shield for Arduino UNO 具有两个专有的 mikroBUS™ 插座,使所有 Click board™ 设备能够轻松与 Arduino UNO 板进行接口连接。Arduino UNO 是一款基于 ATmega328P 的微控制器开发板,为用户提供了一种经济实惠且灵活的方式来测试新概念并构建基于 ATmega328P 微控制器的原型系统,结合了性能、功耗和功能的多种配置选择。Arduino UNO 具有 14 个数字输入/输出引脚(其中 6 个可用作 PWM 输出)、6 个模拟输入、16 MHz 陶瓷谐振器(CSTCE16M0V53-R0)、USB 接口、电源插座、ICSP 头和复位按钮。大多数 ATmega328P 微控制器的引脚都连接到开发板左右两侧的 IO 引脚,然后再连接到两个 mikroBUS™ 插座。这款 Click Shield 还配备了多个开关,可执行各种功能,例如选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平,以及选择 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换电压转换器使用任何 Click board™,无论 Click board™ 运行在 3.3V 还是 5V 逻辑电压电平。一旦将 Arduino UNO 板与 Click Shield for Arduino UNO 连接,用户即可访问数百种 Click board™,并兼容 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的设备。

Click Shield for Arduino UNO accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

NC
NC
AN
Reset
PD2
RST
NC
NC
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
NC
NC
PWM
Interrupt
PC3
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
I2C Clock
PC5
SCL
I2C Data
PC4
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

VCP Monitor 2 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Arduino UNO front image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Arduino UNO Rev3作为您的开发板开始。

Click Shield for Arduino UNO front image hardware assembly
Arduino UNO Rev3 front image hardware assembly
Charger 27 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
Charger 27 Click complete accessories setup image hardware assembly
Board mapper by product8 hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Arduino UNO MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

软件支持

库描述

该库包含 VCP Monitor 2 Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • vcpmonitor2_get_manifacture_id - 获取制造商 ID

  • vcpmonitor2_get_die_id - 获取 DIE ID

  • vcpmonitor2_get_bus_voltage - 获取总线电压(单位:mV)

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * \file 
 * \brief Vcpmonitor2 Click example
 * 
 * # Description
 * VCP Monitor 2 Click is a three-channel, high-side current and bus voltage monitor with alert indication 
 * function ensuring the intended application works within desired operating conditions.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 * 
 * ## Application Init 
 * Initiaizes the driver, and checks the communication by reading the manufacture device ID.
 * After that, performs the device default configuration.
 * 
 * ## Application Task  
 * Displays the voltage, current, and power detected from channel 1 on the USB UART every 2 seconds.
 * It also displays the status of alert indicators.
 * 
 * \author MikroE Team
 *
 */
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "vcpmonitor2.h"

// ------------------------------------------------------------------ VARIABLES

static vcpmonitor2_t vcpmonitor2;
static log_t logger;

static uint16_t check_id;

// ------------------------------------------------------ APPLICATION FUNCTIONS

void display_alert_status ( )
{
    uint8_t status;
    
    status = vcpmonitor2_get_alert_status( &vcpmonitor2 );

    if ( ( status & VCPMONITOR2_ALERT_PVALID ) != 0 )
    {
        log_printf( &logger, ">> Alert status: [ PVALID ]\r\n" );
    }
    if ( ( status & VCPMONITOR2_ALERT_WRNG ) != 0 )
    {
        log_printf( &logger, ">> Alert status: [ WRNG ]\r\n" );
    }
    if ( ( status & VCPMONITOR2_ALERT_CRTCL ) != 0 )
    {
        log_printf( &logger, ">> Alert status: [ CRTCL ]\r\n" );
    }
    if ( ( status & VCPMONITOR2_ALERT_TCTRL ) != 0 )
    {
        log_printf( &logger, ">> Alert status: [ TCTRL ]\r\n" );
    }
}

void display_channel_data ( uint8_t channel )
{
    float shunt_volt;
    float bus_volt;
    float current;
    float power;
    
    shunt_volt = vcpmonitor2_get_shunt_voltage( &vcpmonitor2, channel );
    log_printf( &logger, ">> Shunt voltage: %.2f mV\r\n", shunt_volt );

    bus_volt = vcpmonitor2_get_bus_voltage( &vcpmonitor2, channel );
    log_printf( &logger, ">> BUS voltage: %.2f mV\r\n", bus_volt );

    current = vcpmonitor2_get_current( &vcpmonitor2, channel );
    log_printf( &logger, ">> Current: %.2f mV\r\n", current );

    power = vcpmonitor2_get_power( &vcpmonitor2, channel );
    log_printf( &logger, ">> Power: %.2f mV\r\n", power );
}

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;
    vcpmonitor2_cfg_t cfg;

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, "---- Application Init ----" );

    //  Click initialization.

    vcpmonitor2_cfg_setup( &cfg );
    VCPMONITOR2_MAP_MIKROBUS( cfg, MIKROBUS_1 );
    vcpmonitor2_init( &vcpmonitor2, &cfg );

    check_id = vcpmonitor2_get_manifacture_id( &vcpmonitor2 );
    if ( check_id == VCPMONITOR2_DEF_MANUFACTURE_ID )
    {
        log_printf( &logger, ">> Manufacture ID: 0x%.4X\r\n", check_id );
    }
    else
    {
        log_error( &logger, " WRONG ID READ! " );
        log_printf( &logger, "Please restart your system.\r\n" );
        for ( ; ; );
    }

    vcpmonitor2_default_cfg( &vcpmonitor2 );
}

void application_task ( void )
{
    log_printf( &logger, ">> CHANNEL 1 <<\r\n" );
    display_channel_data( VCPMONITOR2_CHANNEL_1 );

    display_alert_status( );
    log_printf( &logger, "--------------------------\r\n" );
    
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
}

int main ( void ) 
{
    /* Do not remove this line or clock might not be set correctly. */
    #ifdef PREINIT_SUPPORTED
    preinit();
    #endif
    
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}

// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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