李長才， 肖金球， 華 猛

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州市智能測控工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215009）

基于ADS1115多通道低功耗環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計

李長才1，2， 肖金球1，2， 華 猛1，2

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州市智能測控工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215009）

為了可靠準(zhǔn)確地檢測環(huán)境參數(shù)，盡可能降低功耗，設(shè)計了基于ADS1115多通道低功耗檢測系統(tǒng)。采用ADS1115作為數(shù)據(jù)采樣與轉(zhuǎn)化模塊，STM32處理器作為控制與處理模塊。通過配置ADS1115寄存器，進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集。利用STM32的待機(jī)模式，大大降低了系統(tǒng)功耗。給出了ADS1115芯片的簡介、硬件設(shè)計方案、軟件實現(xiàn)方法以及最終測試結(jié)果。經(jīng)測試，該檢測系統(tǒng)具有功耗低、體積小、可靠穩(wěn)定以及功能擴(kuò)展性好等特點，適用于對功耗要求比較高的數(shù)據(jù)采集與測量環(huán)境中。

ADS1115；參數(shù)檢測；多通道；STM32；低功耗

當(dāng)前，模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)化器[1]已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)、通信、汽車及消費類領(lǐng)域，在電子智能測量技術(shù)的高速發(fā)展的趨勢下，對數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換的要求也越來越高。特別是在電能供應(yīng)不便的地方，數(shù)據(jù)采集需要的電能只有通過電池或太陽能板提供，所以需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有低功耗特性。此外，數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)還需要穩(wěn)定、可靠、安全地運行，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的測量與監(jiān)控。ADS1115不僅具有低功耗的特性，而且體積小、精度高，集成了多路復(fù)用器以及增益放大器等部件，簡化了外圍電路的設(shè)計。在特定的場合，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢。該文設(shè)計了基于ADS1115多通道低功耗環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)[2]，利用ADS1115單次轉(zhuǎn)化模式以及STM32處理器的待機(jī)模式，大大降低了整個系統(tǒng)的功耗，實現(xiàn)了系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。

1 ADS1115簡介

ADS1115是高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化器，具有16位分辨率。超小型的無引線QFN-10封裝或MSOP-10封裝，大大減少了其體積。2.0 V至5.5 V的寬電源范圍。在設(shè)計時考慮了精度、功耗和實現(xiàn)的簡易性。如圖1所示，ADS1115具有一個板上基準(zhǔn)和振蕩器，數(shù)據(jù)通過一個I2C兼容型串行接口進(jìn)行傳輸。具有一個板上可編程增益放大器（PGA）[3]，該 PGA提供從電源電壓到低至±256 mV輸入范圍，能以高分辨率來測量大信號和小信號。集成了一個輸入多路復(fù)用器（MUX）,可提供2個差分輸入或4個單端輸入。ADS1115可工作于連續(xù)轉(zhuǎn)換模式或單觸發(fā)模式，在單觸發(fā)模式下，一次轉(zhuǎn)化完成后自動斷電，極大地降低了芯片功耗。

圖1 ADS1115功能框圖

2 硬件方案設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括環(huán)境參數(shù)采集模塊，ADS1115數(shù)據(jù)采樣與轉(zhuǎn)化模塊，STM32控制與處理模塊等[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 環(huán)境參數(shù)采集模塊

系統(tǒng)主要對光強(qiáng)、溫度、濕度和氣壓等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了采集[5]。光強(qiáng)的采集采用光敏電阻，隨著入射光輻射照度的變化，光敏電阻的阻值也會變化，通過檢測其一端電壓并利用光敏電阻的光電特性和伏安特性，可以獲得其光強(qiáng)值。溫度采集采用熱敏電阻，通過檢測一端電壓，利用熱敏電阻的溫度曲線及其伏安特性，計算獲得環(huán)境溫度值。濕度采用濕敏電阻，其阻抗隨相對濕度變化成對數(shù)變化的的電阻型濕度傳感器敏感元件，利用濕敏電阻本身的特性和伏安特性，可檢測環(huán)境濕度。氣壓參數(shù)采用QA-1型氣壓傳感器，其供電電壓為5 V，信號輸出為0.5～2.5 V，符合ADS1115電壓檢測范圍。環(huán)境參數(shù)采集電路如圖3所示。圖3中，R4、R5、R6、P1分別為光敏電阻、熱敏電阻、濕敏電阻、氣壓傳感器。三極管起開關(guān)作用，基集分別連接STM32的PA4、PA5、PA6、PA7管腳，通過STM32控制其通斷，在系統(tǒng)不采集數(shù)據(jù)時，電路處于斷路轉(zhuǎn)態(tài)，大大降低的系統(tǒng)功耗。P1（氣體傳感器）的輸出端直接連接ADS1115的AIN3的輸入端，進(jìn)行電壓信號檢測。

圖3 環(huán)境參數(shù)采集電路

2.2 ADS1115數(shù)據(jù)采樣與轉(zhuǎn)化模塊

環(huán)境參數(shù)采集電路[6]獲得的模擬電壓信號，通過ADS1115的模擬輸入引腳輸入ADS1115芯片內(nèi)部。如圖4所示，P2為4個輸入端，分別與采集電路的4個信號輸出端連接。配置多路復(fù)用器（MUX），設(shè)置4個輸入端為單端輸入。通過STM32控制器，控制四個輸入端分別進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化[7]與處理。ADDR引腳是I2C器件地址引腳，接地時ADS1115作為從機(jī)地址為1011000。SCL和SDA為I2C的時鐘信號線和數(shù)據(jù)線，分別與STM32的PB6和PB7管腳相連，構(gòu)成I2C串行總線。通過這兩條線，實現(xiàn)ADS1115和STM32之間的數(shù)據(jù)通信。ADS1115內(nèi)部的16位模數(shù)轉(zhuǎn)化器對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到的數(shù)字量通過I2C總線傳送至STM32處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)計算與處理。

圖4 ADS1115電路連接圖

2.3 STM32控制與處理模塊

STM32[8]具有功耗低、速度快、體積小等優(yōu)點，外設(shè)及管腳時鐘都可以靈活的配置，關(guān)閉不用的外設(shè)及管腳時鐘，大大降低了芯片的功耗。STM32具有三種低功耗模式，本系統(tǒng)使用待機(jī)模式，達(dá)到低功耗的目的。利用SysTick為系統(tǒng)提供單獨的時鐘節(jié)拍。選用STM32作為控制器的另一原因是其內(nèi)部集成了I2C硬件接口，能大大提高系統(tǒng)運行效率。配置內(nèi)部I2C寄存器[9]，通過I2C總線向ADS1115芯片內(nèi)部寫數(shù)據(jù)，配置ADS1115內(nèi)部寄存器，設(shè)置ADS1115工作模式。通過I2C總線讀取轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量，存儲至STM32的SRAM中，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。STM32計算轉(zhuǎn)換采集到的數(shù)據(jù)，控制LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示以及設(shè)置存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

3 軟件方案設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言開發(fā)，開發(fā)工具采用Keil MDK，使用Keil Ulink2仿真器進(jìn)行程序下載、在線運行調(diào)試。整個軟件設(shè)計包括初始化子程序、主程序、ADS1115寄存器配置子程序、I2C讀寫子程序、LCD顯示子程序、中斷待機(jī)子程序這6個部分，程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件主程序流程圖

初始化程序包括對STM32內(nèi)部I2C硬件模塊的初始化，對系統(tǒng)用到的各管腳初始化，配置SysTick時鐘源、開啟SysTick計數(shù)器及其中斷。此時，整個系統(tǒng)的計時時鐘開啟。沒有用到的管腳時鐘都處于關(guān)閉狀態(tài)，減少功耗。以采集光強(qiáng)參數(shù)為例，在數(shù)據(jù)采樣前，要使圖3中的三極管Q1導(dǎo)通，即STM32控制PA4管腳輸出高電平，保證采集模塊的電路處于導(dǎo)通工作狀態(tài)。I2C模塊初始化后，可調(diào)用I2C寫函數(shù)對ADS1115配置寄存器進(jìn)行寫數(shù)據(jù)。配置ADS1115工作模式為單次觸發(fā)模式，AIN0單端接通，F(xiàn)S（Full-Scale）為±6.144 V。配置完成后，ADS1115進(jìn)行單通道的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換完成后自動進(jìn)入低功耗模式。調(diào)用I2C讀函數(shù)，讀取轉(zhuǎn)化寄存器的數(shù)字量，根據(jù)光敏電阻的光電特性和伏安特性，計算出光強(qiáng)值，調(diào)用LCD顯示子程序顯示。同樣的原理，可以獲得溫度值、濕度值以及氣壓值。

為了使系統(tǒng)盡可能的節(jié)省功耗，設(shè)計了STM32的待機(jī)模式。環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)[10]運行后，2 min內(nèi)若沒有關(guān)機(jī)（時間可調(diào)節(jié)），進(jìn)入SysTick中斷函數(shù)，中斷函數(shù)調(diào)用待機(jī)程序，整個系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，所有使用1.8 V區(qū)域的時鐘都已關(guān)閉以及HSI和HSE的振蕩器關(guān)閉，直到有WAKEUP喚醒，系統(tǒng)才重新進(jìn)入工作模式。

4 測試結(jié)果與分析

為了測試整個系統(tǒng)的性能，選取室內(nèi)和室外不同時間段內(nèi)的四個位置對系統(tǒng)檢測結(jié)果進(jìn)行測試。環(huán)境檢測系統(tǒng)的界面如圖6所示。

圖6 環(huán)境檢測系統(tǒng)界面

把系統(tǒng)檢測的結(jié)果與選取的測試設(shè)備檢測的結(jié)果進(jìn)行比較。如表1所示。通過檢測數(shù)據(jù)的比較分析，系統(tǒng)較準(zhǔn)確的采集到所需要的環(huán)境參數(shù)，整個系統(tǒng)的運行很穩(wěn)定，能夠按照所設(shè)定的時間進(jìn)入待機(jī)模式，也能夠很可靠的喚醒系統(tǒng)。在滿足環(huán)境參數(shù)采集的同時，也大大的降低了功耗。光強(qiáng)采集誤差范圍在1%～2%之間，溫度誤差范圍在0.5%～1%，濕度誤差范圍在1.5%～2.5%，氣壓誤差小于1%。整個系統(tǒng)也存在一些問題，環(huán)境參數(shù)采集時需要滿足檢測器件的測量范圍。采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)精度有待于進(jìn)一步提高，主要體現(xiàn)在采集模塊中。各檢測器件的精度也受周邊環(huán)境的影響。

表1 檢測結(jié)果

5 結(jié)語

基于ADS1115多通道低功耗環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對溫度、光強(qiáng)、濕度和氣壓準(zhǔn)確檢測。運用ADS1115的單次轉(zhuǎn)化模式，在沒有充足電力供應(yīng)的環(huán)境中使用，能充分發(fā)揮其低功耗的優(yōu)勢。創(chuàng)新性地把SysTick時鐘中斷和待機(jī)模式結(jié)合起來，降低了整個系統(tǒng)功耗。該系統(tǒng)具有可靠性高、功能擴(kuò)展性好，通過改變輸入模塊的設(shè)計，還可以用來對電流、電壓、火焰、有害氣體等參數(shù)采集與檢測，應(yīng)用方便，具有很好的實用價值。

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Design ofmultichannel low-power environment parameters test system based on ADS1115

LIChangcai1,2,XIAO Jinqiu1,2,HUA Meng1,2
（1.School of Electronic&Information Engineering,SUST,Suzhou 215009,China;2.Suzhou Intelligent Control Engineering Technology Center,Suzhou 215009,China）

In order to test environment parameters reliably and accurately and reduce the power consumption as much as possible,themultichannel low-power test system based on ADS1115 was designed.ADS1115 was used as a data sampling and conversion module,STM32 as a control and processingmodule.The channel conversion and data collection was realized by configuring ADS1115 registers.The system power consumption was reduced significantly by using STM32 standby mode.This paper presents the introduction of ADS1115,hardware design scheme,softwaremethod and final test results.After testing,the system is characteristic of low power consumption,small volume,reliability,stability and fine extension function,which is appropriate for data collection and measurement environment of low power consumption demand.

ADS1115;parameters test;multichannel;STM32;low-power

TP274

：A

：2096-3270（2017）03-0077-04

（責(zé)任編輯：盧文君）

2016-09-17

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目（2014-K8-050）；蘇州科技大學(xué)科研基金項目（XKZ201508）

李長才（1988-），男，山東棗莊人，碩士研究生。

肖金球（1963-），男，教授，主要從事智能測控技術(shù)的研究，Email：xjq@mail.usts.edu.cn。