2.9 ADS1115 多路模数转换器

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。

2.9.1 模块来源

采购链接： ADS1115 超小型 16 位 模数转换器 ADC 4 通道

2.9.2 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）

2.9.3 移植过程

我们的目标是在梁山派 GD32F470 上能够实现 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，再移植至我们的工程。

2.9.3.1 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。

（1）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。

BIT 7	BIT 6	BIT 5	BIT 4	BIT 3	BIT 2	BIT 1	BIT 0
1	0	0	1	0	0	0	R/W

当模块上的 ADDR 引脚接入 VDD 时，其器件地址为 1001001，最后一位数据是读写位。

BIT 7	BIT 6	BIT 5	BIT 4	BIT 3	BIT 2	BIT 1	BIT 0
1	0	0	1	0	0	1	R/W

本文以接入 GND 为地址。即后续的地址为 0X90。

（2）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。

（3）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。

配置寄存器说明

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。

转换寄存器说明

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。

**（4）**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。

/******************************************************************
 * 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;
}

2.9.3.2 引脚选择

2.9.3.3 移植至工程

移植步骤中的导入.c 和.h 文件与之前相同，只是将.c 和.h 文件更改为 bsp_ads1115.c 与 bsp_ads1115.h。见 2.2.3.3 移植至工程。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。

/********************************************************************************
  * 文 件 名: bsp_ads1115.c
  * 版 本 号: 初版
  * 修改作者: LC
  * 修改日期: 2023年04月06日
  * 功能介绍:
  ******************************************************************************
  * 注意事项:
*********************************************************************************/

#include "bsp_ads1115.h"
#include "systick.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)
{
        //打开SDA与SCL的引脚时钟
        rcu_periph_clock_enable(RCU_SCL);
        rcu_periph_clock_enable(RCU_SDA);

        //设置SCL引脚模式为上拉输出
        gpio_mode_set(PORT_SCL, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_SCL);
        //设置引脚为开漏模式，翻转速度2MHz
        gpio_output_options_set(PORT_SCL, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_SCL);
        //设置引脚输出高电平SCL等待信号
        gpio_bit_write(PORT_SCL, GPIO_SCL, SET);

        //设置SDA引脚
        gpio_mode_set(PORT_SDA, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_SDA);
        gpio_output_options_set(PORT_SDA, GPIO_OTYPE_OD, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_SDA);
        gpio_bit_write(PORT_SDA, GPIO_SDA, SET);
        //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_1us(5);
        SCL(1);
        delay_1us(5);

        SDA(0);
        delay_1us(5);
        SCL(0);
        delay_1us(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_1us(5);
        SDA(1);
        delay_1us(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_1us(5);
        if(!ack) SDA(0);
        else     SDA(1);
        SCL(1);
        delay_1us(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_1us(5);
        SCL(1);
        delay_1us(5);
        while( (GETSDA()==1) && ( ack_flag ) )
        {
                ack_flag--;
                delay_1us(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 );
                __nop();
                __nop();
                __nop();
                dat<<=1;
                delay_1us(6);
                SCL(1);
                delay_1us(4);
                SCL(0);
                delay_1us(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_1us(5);
        SCL(1);
        delay_1us(5);
        receive<<=1;
        if( GETSDA() )
        {
            receive|=1;
        }
        delay_1us(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\r\n");
       return 1;
  }
  IIC_Write(add);
  if( IIC_Wait_Ack() == 1 )
  {
      printf("error 2\r\n");
      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_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]));

        //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。

#ifndef _BSP_ADS1115_H_
#define _BSP_ADS1115_H_

#include "gd32f4xx.h"


#define RCU_SCL  RCU_GPIOB
#define PORT_SCL GPIOB
#define GPIO_SCL GPIO_PIN_8

#define RCU_SDA  RCU_GPIOB
#define PORT_SDA GPIOB
#define GPIO_SDA GPIO_PIN_9


#define SDA_IN()  {gpio_mode_set(PORT_SDA, GPIO_MODE_INPUT,  GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_SDA);}        //SDA输入模式
#define SDA_OUT() {gpio_mode_set(PORT_SDA, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_SDA);}  //SDA输出模式

#define SCL(BIT)  gpio_bit_write( PORT_SCL, GPIO_SCL, BIT?SET:RESET)
#define SDA(BIT)  gpio_bit_write( PORT_SDA, GPIO_SDA, BIT?SET:RESET)
#define GETSDA()  gpio_input_bit_get( PORT_SDA, 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

2.9.4 移植验证

在自己工程中的 main 主函数中，编写如下。

/********************************************************************************
  * 文 件 名: main.c
  * 版 本 号: 初版
  * 修改作者: LC
  * 修改日期: 2023年04月06日
  * 功能介绍:
  ******************************************************************************
  * 注意事项:
*********************************************************************************/

#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "bsp_ads1115.h"
#include "stdio.h"

int main(void)
{
        nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);  // 优先级分组
        systick_config();                //滴答定时器初始化 1ms
        usart_gpio_config(115200);
        ADS1115_GPIO_Init();

        printf("demo start\r\n");
        while(1)
        {
            //当前设置最大量程为4.096V
            printf("A0 = %.4f\r\n", ReadADS1115(0x00) );//读取A0的值
            delay_1ms(1000);
        }
}

移植现象：将 A0 接入 GND、3.3V 和 5V。

移植成功示例，见文件 2.9.4-1 。

文件 2.9.4-1 移植成功示例