基于CW32模块的ADS1115多路模数转换器设计

ADS1115 器件是兼容 IIC 的 16 位高精度低功耗模数转换器 (ADC)，采用超小型无引线 X2QFN-10 封装和 VSSOP-10 封装。ADS111x 器件采用了低漂移电压基准和振荡器。ADS1114 和 ADS1115 还采用可编程增益放大器(PGA)和数字比较器。这些特性加以较宽的工作电源电压范围使得 ADS1115 非常适合功率与空间受限的传感器测量。

ADS111x 可在数据速率高达每秒 860 个样本 (SPS) 的情况下执行转换。PGA 可提供从 ±256mV 到±6.144V 的输入范围，从而实现精准的大小信号测量。ADS1115 具有 一个输入多路复用器 (MUX)，可实现两次差动输入测量或四次单端输入测量。在ADS1115 中可使用数字比较器进行欠压和过压检测。ADS1115既可在连续转换模式下工作，也可在单冲模式下工作。在单冲模式下，这些器件可在一次转换后自动断电；因此显著降低了空闲期间的功耗。

01 模块来源

模块实物展示：

02 规格参数

工作电压：2.0-5.5V

工作电流：150uA

采集精度：16位

采集通道：4通道

控制方式：IIC

管脚数量：10 Pin（2.54mm间距排针）

以上信息见厂家资料文件

03 移植过程

我们的目标是将例程移植至CW32F030C8T6开发板上【实现4路ADC采集电压功能】。首先要获取资料，查看数据手册应如何实现读取数据，再移植至我们的工程。

3.1 查看资料

ADS1115是采用的IIC通信，所以首先要了解IIC的地址与时序，再确定根据寄存器的设置。

器件地址

器件地址的设置见下表:

说明：当模块上的ADDR引脚接入GND时，其器件地址为1001000，最后一位数据是读写位。

时序

下图是读时序，步骤是：

IIC起始信号->发送器件地址+0(写)->等待模块应答->应答后发送寄存器地址->等待模块应答->重新发送起始信号->发送器件地址+1(读)->等待模块应答->应答后读取高8位数据->读取完毕主机发送应答信号->读取低8位数据->读取完毕主机发送应答信号->发送IIC停止信号

下图是写时序，步骤是：

IIC起始信号->发送器件地址+0(写)->等待模块应答->应答后发送寄存器地址->等待模块应答->应答后写入高8位数据->等待模块应答->写入低8位数据->等待模块应答->发送IIC停止信号

寄存器说明

ADS1115有四个寄存器，可通过IIC接口使用地址指针进入。

地址0X00为转换寄存器，它包含最后一次转换的结果。

地址0X01为配置寄存器，用于更改ADS1115的工作模式和查询设备状态。

另外两个寄存器，Lo_thresh和Hi_thresh，设置用于比较器函数的阈值，我们用不到。

配置寄存器有16位，用于控制工作模式、输入选择、数据速率、满量程范围和比较器模式。

第15位：OS，读操作时可以知道当前设备的工作状态；写操作时可以设置单次转换。本文配置为1（必须为断电模式下，当对OS写1时，设备会进入上电模式并完成一次数据转换，然后会自动将OS置0）

第14-12位：MUX为输入多路复用器，对输入模式进行选择，如下图有八种输入模式，分别是四种差分与四种单端输入，本文配置为A0单端输入（0x04）。（单端输入就是测量的数据有两个引脚，一个输出一个地。将测量的输出接入A0引脚，测量的地与ADS1115共地）

第11-9位：PGA为可编程增益放大器，设置FSR（满刻度的范围），本文配置为±4.096V（0x01）后面电压计算公式与这个有关。

第8位：MODE选择持续转换模式与单次转换模式(单次转换模式需要OS位触发)，本文配置为连续转换模式（0x00）

第7-5位：DR配置data rate数据传输速率，本文配置为128SPS（0x04）

第4-2位：对比较器的配置，我们不使用，默认为0即可（0x00） 第1-0位：本位配置为关闭比较器并将ALERT/RDY引脚设置为高阻抗模式（0x03）

最终得到的配置结果为1100_0010_1000_0011(0xC283)。

当前配置的是A0的引脚，我们后续获取数据也是从A0引脚读取。

16位转换寄存器以二进制的补码格式保存最后一次转换的结果。需要注意的是，在上电之后，转换寄存器被清除为0，并保持为0，直到第一次转换完成。

实现代码说明

读取到的ADC值如何换算为电压？

以PGA设置为4.96V为例。

电压 = 采集到的ADC值 * 分辨率

分辨率 = 测量电压范围 / (2^AD位数-1) = 4.096 / 2的15次方 = 0.000125V

分辨率也可以在数据手册中查看，见右图。其中125uV = 0.125mV = 0.000125V。

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：WriteADS1115
 * 函 数 说 明：向ADS1115的add地址写入dat数据
 * 函 数 形 参： add写入寄存器地址
 *             dat_H写入的高8位数据
 *             dat_L写入的低8位数据
 * 函 数 返 回：0写入成功
 *             1写入器件地址无应答
 *             2写入寄存器地址无应答
 * 作       者：LC
 * 备       注：器件地址=0X90
******************************************************************/
uint8_t WriteADS1115(uint8_t add, uint8_t dat_H, uint8_t dat_L)
{
    IIC_Start();//起始信号
    IIC_Write(0x90);//器件地址
    if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
        return 1;
    IIC_Write(add);//寄存器地址
    if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
        return 2;
    IIC_Write(dat_H);//写入高8位
    IIC_Wait_Ack();//等待应答
    IIC_Write(dat_L);//写入低8位
    IIC_Wait_Ack();//等待应答
    IIC_Stop();//停止信号
    return (0);
}

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：ReadADS1115
 * 函 数 说 明：读取ADS1115的数据
 * 函 数 形 参：add读取的寄存器地址
 * 函 数 返 回：-1-读取失败  其他-读取成功
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
float ReadADS1115(unsigned char add)
{
    int i =0;
    unsigned char dat[2]={0};
    unsigned int num = 0;
    float ret=0;
    IIC_Start();//起始信号
    IIC_Write(0x90);//器件地址+写
    if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
        return -1;
    IIC_Write(add);//寄存器地址
    if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
        return -1;
    do{
      //超时判断
      i++;
      if( i > 20 ) return -1;
      delay_1ms(1);
      IIC_Start();//重新发送起始信号
      IIC_Write(0x91);//器件地址+读
    }while(IIC_Wait_Ack() == 1);


    dat[0]=IIC_Read();//读高8位数据
    IIC_Send_Ack(0);//应答
    dat[1]=IIC_Read();//读低8位数据
    IIC_Send_Ack(1);//非应答
    IIC_Stop();//发送停止信号
    //数据整合
    num =  ((dat[0]<<8) | (dat[1]));
    //分辨率计算：测量电压范围/(2^AD位数-1)
    //    分辨率= 4.096/2^15=0.000125
    //      电压= 采集到的ADC值 * 分辨率
    if(num>32768)
        ret=(65535-num)*0.000125;
    else
        ret=num*0.000125;


    return ret;
}

3.2 引脚选择

接线表

3.3 移植至工程

工程模板参考入门手册的工程模板

移植步骤中的导入.c和.h文件与【CW32模块使用】DHT11温湿度传感器相同，只是将.c和.h文件更改为bsp_ads1115.c与bsp_ads1115.h。这里不再过多讲述，移植完成后面修改相关代码。

在文件bsp_ads1115.c中，编写如下代码。

/*
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2024-06-20     LCKFB-LP    first version
 */


#include "bsp_ads1115.h"
#include "stdio.h"


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：ADS1115_GPIO_Init
 * 函 数 说 明：对IIC引脚初始化
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：1100_0010_1000_0011  WriteADS1115(0x01,0xc2,0x83);
******************************************************************/
void ADS1115_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; // GPIO初始化结构体


    RCC_ADS1115_ENABLE();        // 使能GPIO时钟


    GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SCL|GPIO_SDA;               // GPIO引脚
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;             // 开漏输出
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;                // 输出速度高
    GPIO_Init(PORT_ADS1115, &GPIO_InitStruct);              // 初始化


    //写入配置参数
    WriteADS1115(0x01,0xC2,0x83);
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Start
 * 函 数 说 明：IIC起始信号
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Start(void)
{
        SDA_OUT();


        SDA(1);
        delay_us(5);
        SCL(1);
        delay_us(5);


        SDA(0);
        delay_us(5);
        SCL(0);
        delay_us(5);


}
/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Stop
 * 函 数 说 明：IIC停止信号
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Stop(void)
{
        SDA_OUT();
        SCL(0);
        SDA(0);


        SCL(1);
        delay_us(5);
        SDA(1);
        delay_us(5);


}
/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Send_Ack
 * 函 数 说 明：主机发送应答
 * 函 数 形 参：0应答  1非应答
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Send_Ack(unsigned char ack)
{
        SDA_OUT();
        SCL(0);
        SDA(0);
        delay_us(5);
        if(!ack) SDA(0);
        else     SDA(1);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        SCL(0);
        SDA(1);
}
/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Wait_Ack
 * 函 数 说 明：等待从机应答
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：1=无应答   0=有应答
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/


unsigned char IIC_Wait_Ack(void)
{


        char ack = 0;
        unsigned char ack_flag = 10;
        SDA_IN();
        SDA(1);
        delay_us(5);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        while( (GETSDA()==1) && ( ack_flag ) )
        {
                ack_flag--;
                delay_us(5);
        }


        if( ack_flag <= 0 )
        {
                IIC_Stop();
                return 1;
        }
        else
        {
                SCL(0);
                SDA_OUT();
        }
        return ack;
}
/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Write
 * 函 数 说 明：IIC写一个字节
 * 函 数 形 参：dat写入的数据
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
void IIC_Write(unsigned char dat)
{
        int i = 0;
        SDA_OUT();
        SCL(0);//拉低时钟开始数据传输


        for( i = 0; i < 8; i++ )
        {
                SDA( (dat & 0x80) >> 7 );
                                delay_us(2);
                dat<<=1;
                delay_us(6);
                SCL(1);
                delay_us(4);
                SCL(0);
                delay_us(4);


        }
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：IIC_Read
 * 函 数 说 明：IIC读1个字节
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：读出的1个字节数据
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
unsigned char IIC_Read(void)
{
        unsigned char i,receive=0;
    SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
        {
        SCL(0);
        delay_us(5);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        receive<<=1;
        if( GETSDA() )
        {
            receive|=1;
        }
        delay_us(5);
    }
  return receive;
}


/******************************************************************
 * 函 数 名 称：WriteADS1115
 * 函 数 说 明：向ADS1115的add地址写入dat数据
 * 函 数 形 参：add写入寄存器地址 dat_H写入的高8位数据  dat_L写入的低8位数据
 * 函 数 返 回：0写入成功 1写入器件地址无应答  2写入寄存器地址无应答
 *              3写入高8位数据无应答  4写入低8位数据无应答
 * 作       者：LC
 * 备       注：器件地址=0X90
******************************************************************/
uint8_t WriteADS1115(uint8_t add,uint8_t dat_H,uint8_t dat_L)
{
          IIC_Start();
          IIC_Write(0x90);
          if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
          {
                  printf("error 1
");
                   return 1;
          }
          IIC_Write(add);
          if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
          {
                  printf("error 2
");
                  return 2;
          }
          IIC_Write(dat_H);
          IIC_Wait_Ack();
          IIC_Write(dat_L);
          IIC_Wait_Ack();
          IIC_Stop();
          return (0);
}






/******************************************************************
 * 函 数 名 称：ReadADS1115
 * 函 数 说 明：读取ADS1115的数据
 * 函 数 形 参：add读取的寄存器地址
 * 函 数 返 回：-1-读取失败  其他-读取成功
 * 作       者：LC
 * 备       注：无
******************************************************************/
float ReadADS1115(unsigned char add)
{
  int i =0;
  unsigned char dat[2]={0};
  unsigned int num = 0;
  float ret=0;
  IIC_Start();//起始信号
  IIC_Write(0x90);//器件地址+写
  if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
      return -1;
  IIC_Write(add);//寄存器地址
  if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
      return -1;
  do{
    //超时判断
    i++;
    if( i > 20 ) return -1;
    delay_ms(1);
    IIC_Start();//重新发送起始信号
    IIC_Write(0x91);//器件地址+读
  }while(IIC_Wait_Ack() == 1);


  dat[0]=IIC_Read();//读高8位数据
  IIC_Send_Ack(0);//应答
  dat[1]=IIC_Read();//读低8位数据
  IIC_Send_Ack(1);//非应答
  IIC_Stop();//发送停止信号
  //数据整合
  num =  ((dat[0]<<8) | (dat[1]));


        //数值计算取决于PGA配置
    //2的15次方=32768
    //设置的最大量程4.096
//        if(num>32768)
//                ret=((float)(65535-num)/32768.0)*4.096;
//        else
//                ret=((float)num/32768.0)*4.096;


  //分辨率计算：测量电压范围/(2^AD位数-1)
  //    分辨率= 4.096/2^15=0.000125
  //      电压= 采集到的ADC值 * 分辨率
  if(num>32768)
      ret=(65535-num)*0.000125;
  else
      ret=num*0.000125;


  return ret;
}

‍

在文件bsp_ads1115.h中，编写如下代码。

/*
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2024-06-20     LCKFB-LP    first version
 */
#ifndef _BSP_ADS1115_H_
#define _BSP_ADS1115_H_


#include "board.h"


#define RCC_ADS1115_ENABLE()      __RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define PORT_ADS1115              CW_GPIOB


#define GPIO_SCL                  GPIO_PIN_8
#define GPIO_SDA                  GPIO_PIN_9


//SDA输入模式
#define SDA_IN()   {                                                     
                        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                
                        GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA;                 
                        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT_PULLUP;   
                        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;         
                        GPIO_Init(PORT_ADS1115, &GPIO_InitStruct);       
                   }
//SDA输出模式
#define SDA_OUT()  {                                                                                                         
                        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;                
                        GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_SDA;                 
                        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;      
                        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;         
                        GPIO_Init(PORT_ADS1115, &GPIO_InitStruct);       
                    }


#define SCL(BIT)  GPIO_WritePin( PORT_ADS1115, GPIO_SCL, BIT?GPIO_Pin_SET:GPIO_Pin_RESET )
#define SDA(BIT)  GPIO_WritePin( PORT_ADS1115, GPIO_SDA, BIT?GPIO_Pin_SET:GPIO_Pin_RESET )
#define GETSDA()  GPIO_ReadPin( PORT_ADS1115, GPIO_SDA )








void ADS1115_GPIO_Init(void);
unsigned char WriteADS1115(unsigned char add,unsigned char dat_H,unsigned char dat_L);
float ReadADS1115(unsigned char add);
#endif

‍04 移植验证

在自己工程中的main主函数中，编写如下。

/*
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2024-06-20     LCKFB-LP    first version
 */
#include "board.h"
#include "stdio.h"
#include "bsp_uart.h"
#include "bsp_ads1115.h"


int32_t main(void)
{
    board_init();        // 开发板初始化


    uart1_init(115200);        // 串口1波特率115200


    ADS1115_GPIO_Init();


    printf("demo start
");
    while(1)
    {
        //当前设置最大量程为4.096V
        printf("A0 = %.4f
", ReadADS1115(0x00) );//读取A0的值
        delay_ms(1000);
    }
}

移植现象：将A0接入GND、3.3V和5V。