Adafruit INA260：高精度電流、電壓和功率傳感器的全方位解析

在電子工程師的日常工作中，準(zhǔn)確測量電流、電壓和功率是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。今天，我們就來深入了解一款功能強(qiáng)大的傳感器——Adafruit INA260電流、電壓和功率傳感器擴(kuò)展板。

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一、概述

Adafruit INA260擴(kuò)展板或許是你最后一次需要購買的電流傳感解決方案。它不僅能替代兩臺(tái)萬用表的功能，還具備驚人的精度和靈活性。它可以測量高側(cè)或低側(cè)直流電流、總線電壓，并自動(dòng)計(jì)算功率。在令人印象深刻的電壓、電流和溫度范圍內(nèi)，其測量精度優(yōu)于1%，而且通過I2C接口以易于使用的格式傳輸數(shù)據(jù)。

該擴(kuò)展板適用于任何兼容CircuitPython或Arduino的微控制器，以及像樹莓派這樣的單板計(jì)算機(jī)。它支持3V或5V邏輯，能夠測量高達(dá)+36VDC的總線電壓，但不適用于交流電壓。

1. 選擇測量側(cè)

大多數(shù)電流測量設(shè)備都有一些顯著的限制，影響其使用范圍。許多設(shè)備只能進(jìn)行低側(cè)測量，當(dāng)?shù)貐⒖键c(diǎn)隨電流變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。而INA260的“小姐妹”INA219B雖通過高側(cè)測量避免了這個(gè)問題，但需要更換分流電阻來測量不同的電流范圍。INA260則避免了這些限制，其集成的精密分流電阻使其能夠在高側(cè)或低側(cè)測量高達(dá)+36V、連續(xù)15A的電流。

2. 工作原理

內(nèi)部16位ADC測量集成的2毫歐（0.002歐姆）、0.1%分流電阻兩端的電壓，從而在令人印象深刻的電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.5 mA的分辨率（由于電阻極低，一些萬用表可能會(huì)將其視為短路）。

在高側(cè)配置中，可以準(zhǔn)確獲取總線電壓測量值和功率計(jì)算結(jié)果。但對(duì)于想要在低側(cè)配置中測量總線電壓的高級(jí)玩家，需要切斷連接V+和VBUS的跳線，并將VBUS引腳連接到電壓總線。

需要注意的是，在切換感性負(fù)載時(shí)，由于電感反沖，瞬時(shí)電壓水平可能會(huì)大大超過穩(wěn)態(tài)水平。如果不采取預(yù)防措施保護(hù)芯片免受電感尖峰的影響，可能會(huì)導(dǎo)致芯片損壞。更多信息可參考相關(guān)鏈接。

二、引腳說明

1. 電源引腳

擴(kuò)展板上的傳感器需要2.7V至5.5V的電源，可輕松與大多數(shù)微控制器（如Arduino、Feather等）配合使用。

• Vcc：電源引腳，為擴(kuò)展板供電，其電壓應(yīng)與微控制器的邏輯電平相同（例如，對(duì)于5V的Arduino，使用5V）。
• GND：電源和邏輯的公共接地端。

2. I2C邏輯引腳

• SCL：I2C時(shí)鐘引腳，連接到微控制器的I2C時(shí)鐘線。邏輯電平與Vcc相同，且已內(nèi)置10K上拉電阻。
• SDA：I2C數(shù)據(jù)引腳，連接到微控制器的I2C數(shù)據(jù)線。邏輯電平與Vcc相同，且已內(nèi)置10K上拉電阻。

3. 其他引腳

• Vin+：正輸入引腳，用于高側(cè)電流傳感時(shí)連接電源，用于低側(cè)傳感時(shí)連接負(fù)載接地端。
• Vin-：負(fù)輸入引腳，用于高側(cè)電流傳感時(shí)連接負(fù)載，用于低側(cè)傳感時(shí)連接擴(kuò)展板接地端。
• Alert：中斷輸出引腳，可配置中斷以觸發(fā)各種“原因”，如超過或低于配置的電流、電壓或功率設(shè)置。也用于信號(hào)單次轉(zhuǎn)換完成。電壓電平與Vcc相同。
• VBus：總線電壓引腳。默認(rèn)情況下，它與Vin+相連，但在進(jìn)行低側(cè)測量時(shí)，應(yīng)切斷擴(kuò)展板右側(cè)的VB跳線，并將VBus連接到電源總線，以便準(zhǔn)確計(jì)算總線電壓和總功率（VBus * 電流）消耗。

• A0和A1焊接跳線：可通過焊接將地址引腳拉高到VCC，根據(jù)下表更改I2C地址。	A1	I2C Address (hex)
  GND	0x40 (Default)
  GND	0x41
  VCC	0x44
  VCC	0x45

三、組裝步驟

1. 準(zhǔn)備排針

如有必要，將排針剪至合適長度。將排針插入面包板（長引腳朝下），這樣焊接會(huì)更容易。

2. 安裝擴(kuò)展板

將擴(kuò)展板放在排針上，使短引腳穿過擴(kuò)展板的焊盤。

3. 焊接排針

確保焊接所有8個(gè)引腳，以實(shí)現(xiàn)可靠的電氣連接。（有關(guān)焊接技巧，請查看優(yōu)秀焊接指南）。焊接完成后，目視檢查焊點(diǎn)。

4. 準(zhǔn)備端子塊

將端子塊放在擴(kuò)展板內(nèi)，確保其朝外。將擴(kuò)展板翻轉(zhuǎn)，使端子引腳朝上。

5. 焊接端子塊

先用烙鐵支撐擴(kuò)展板，焊接一個(gè)引腳。然后使用虎鉗或輔助工具固定擴(kuò)展板，焊接另一個(gè)引腳。焊接完成后，目視檢查焊點(diǎn)，然后繼續(xù)下一步。

四、Arduino使用

1. 接線

將INA260連接到Feather或Arduino非常簡單：

• 如果使用Feather（3.3V），將Feather的3V連接到擴(kuò)展板的VIN。
• 如果使用5V的Arduino（如Uno等），將Arduino的5V連接到擴(kuò)展板的VIN。
• 將Feather或Arduino的GND連接到擴(kuò)展板的GND。
• 將Feather或Arduino的SCL連接到擴(kuò)展板的SCL。
• 將Feather或Arduino的SDA連接到擴(kuò)展板的SDA。
• 將Vin+連接到電源以進(jìn)行高側(cè)電流傳感，或連接到負(fù)載接地端以進(jìn)行低側(cè)傳感。
• 將Vin-連接到負(fù)載以進(jìn)行高側(cè)電流傳感，或連接到擴(kuò)展板接地端以進(jìn)行低側(cè)傳感。

2. 安裝Adafruit_INA260庫

要開始讀取傳感器數(shù)據(jù)，需要安裝Adafruit_INA260庫（代碼可在GitHub倉庫中找到）。該庫可從Arduino庫管理器中獲取，建議使用此方法進(jìn)行安裝。

從IDE中打開庫管理器，點(diǎn)擊“Manage Libraries”菜單項(xiàng)，搜索“Adafruit INA260”，選擇該庫并點(diǎn)擊“Install”。然后按照相同的步驟安裝Adafruit BusIO庫。

3. 示例代碼

以下示例代碼是標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分，展示了如何從INA260獲取電流、電壓和功率的傳感器數(shù)據(jù)。

#include 
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. 加載演示

打開“File” -> “Examples” -> “Adafruit_INA260 Library” -> “ina260_test”，并將其上傳到連接了傳感器的Arduino。此外，你可能需要添加代碼來點(diǎn)亮NeoPixel燈帶，以便有電流可供測量。如果你不熟悉使用NeoPixel庫，請參考優(yōu)秀的NeoPixel überguide頁面。

上傳草圖到開發(fā)板，打開串口監(jiān)視器（“Tools” -> “Serial Monitor”），你應(yīng)該能看到電流、電壓和功率的值。

5. Arduino使用說明

首先，包含庫并創(chuàng)建一個(gè)Adafruit_INA260對(duì)象，以便在后續(xù)的草圖中使用。

#include 
Adafruit_INA260 ina260 = Adafruit_INA260();

然后，在setup函數(shù)中調(diào)用INA260對(duì)象的begin函數(shù)，初始化驅(qū)動(dòng)程序并準(zhǔn)備從傳感器讀取測量值。如果無法連接到INA260傳感器，begin函數(shù)將返回false。此時(shí)，需要仔細(xì)檢查電源和I2C接線。

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

最后，可以進(jìn)行測量！readCurrent、readBusVoltage和readPower分別讀取并返回以毫安、毫伏和毫瓦為單位的測量值。

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");

默認(rèn)情況下，功率和電壓測量僅在高側(cè)電流傳感時(shí)準(zhǔn)確。要在低側(cè)傳感時(shí)調(diào)用readVoltage和readPower獲得準(zhǔn)確測量值，需要切斷擴(kuò)展板右側(cè)的VB跳線，并將VBus引腳連接到總線。

五、Python & CircuitPython使用

1. 接線

CircuitPython微控制器接線

將INA260按照以下方式連接到開發(fā)板：

• 開發(fā)板的3V連接到傳感器的Vin。
• 開發(fā)板的GND連接到傳感器的GND。
• 開發(fā)板的SCL連接到傳感器的SCL。
• 開發(fā)板的SDA連接到傳感器的SDA。
• 傳感器的Vin+連接到電源以進(jìn)行高側(cè)電流傳感，或連接到負(fù)載接地端以進(jìn)行低側(cè)傳感。
• 傳感器的Vin-連接到負(fù)載以進(jìn)行高側(cè)電流傳感，或連接到開發(fā)板接地端以進(jìn)行低側(cè)傳感。

注意：此擴(kuò)展板的I2C線上已包含上拉電阻，無需外部上拉電阻。

Python計(jì)算機(jī)接線

以樹莓派為例，接線方式如下：

• 樹莓派的3V3連接到傳感器的VIN。
• 樹莓派的GND連接到傳感器的GND。
• 樹莓派的SCL連接到傳感器的SCL。
• 樹莓派的SDA連接到傳感器的SDA。

2. 安裝庫

CircuitPython安裝INA260庫

首先，確保你的CircuitPython開發(fā)板運(yùn)行的是最新版本的Adafruit CircuitPython。然后，需要安裝使用硬件所需的庫，仔細(xì)按照步驟從Adafruit的CircuitPython庫包中查找并安裝這些庫。我們的CircuitPython入門指南有關(guān)于如何安裝庫包的詳細(xì)頁面。

對(duì)于非Express開發(fā)板（如Trinket M0或Gemma M0），需要手動(dòng)從庫包中安裝必要的庫：

• adafruit_ina260.mpy
• adafruit_bus_device
• adafruit_register

在繼續(xù)之前，確保開發(fā)板的lib文件夾或根文件系統(tǒng)中已復(fù)制了adafruit_ina260.mpy、adafruit_bus_device和adafruit_register文件和文件夾。然后連接到開發(fā)板的串行REPL，進(jìn)入CircuitPython的>>>提示符。

Python安裝INA260庫

需要安裝提供Python中CircuitPython支持的Adafruit_Blinka庫。這可能還需要在你的平臺(tái)上啟用I2C，并驗(yàn)證你運(yùn)行的是Python 3。由于每個(gè)平臺(tái)都有所不同，且Linux經(jīng)常更新，請?jiān)L問CircuitPython on Linux指南，讓你的計(jì)算機(jī)做好準(zhǔn)備。

完成上述步驟后，從命令行運(yùn)行以下命令：

sudo pip3 install adafruit-circuitpython-ina260

如果你的默認(rèn)Python版本是3，可能需要運(yùn)行pip代替。請確保不要在Python 2.x上使用CircuitPython，因?yàn)樗恢С帧?/p>

3. 使用示例

以下代碼展示了如何初始化傳感器并從Python REPL讀取電流和電壓：

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. 完整示例代碼

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)

默認(rèn)情況下，功率和電壓測量僅在高側(cè)電流傳感時(shí)準(zhǔn)確。要在低側(cè)傳感時(shí)調(diào)用readVoltage和readPower獲得準(zhǔn)確測量值，需要切斷擴(kuò)展板右側(cè)的VB跳線，并將VBus引腳連接到總線。

六、下載資源

• 數(shù)據(jù)手冊：包括INA260數(shù)據(jù)手冊、TI設(shè)計(jì)資源等。
• 原理圖：可查看擴(kuò)展板的詳細(xì)電路連接。
• 制造圖紙：提供擴(kuò)展板的尺寸信息。

Adafruit INA260傳感器擴(kuò)展板為電子工程師提供了一種高精度、靈活的電流、電壓和功率測量解決方案。無論是在Arduino還是Python環(huán)境中，都能方便地進(jìn)行使用。你在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。