INA226 + STM32: pomiar prądu i napięcia przez I2C krok po kroku

INA226 + STM32: pomiar prądu i napięcia przez I2C krok po kroku

Czym jest układ INA226 i jakie ma kluczowe cechy

To dwukierunkowy scalak pomiarowy Texas Instruments, który potrafi jednocześnie mierzyć prąd elektryczny, napięcie elektryczne na szynie i obliczać moc wszystko przez magistralę I2C albo SMBus. Wewnątrz znajdziesz przetwornik ADC delta-sigma o rozdzielczości 16 bitów, co przekłada się na niską szumność i wysoką dokładność bez żadnej zewnętrznej kalibracji analogowej.

Scalak mierzy napięcie różnicowe na zewnętrznym boczniku i na tej podstawie wylicza natężenie. Egzemplarz wyposażony w rezystor 0,1 Ω ma zakres ±800 mA, a napięcie szyny możesz obserwować w przedziale 0–36 V.

Warto rozumieć, skąd bierze się ta precyzja. Offset wejściowy sięga maksymalnie 10 µV, dryft offsetu to typowo 0,02 µV na stopień, a błąd wzmocnienia przetwornika nie przekracza 0,1%. CMRR na poziomie 126 dB oznacza, że scalak dobrze radzi sobie z sytuacją, gdy sama szyna ma 24 V, a różnica na boczniku to ledwie kilkadziesiąt mikrowoltów.

Zanim przejdziemy dalej, zerknij na tabelę z najważniejszymi parametrami:

Parametr	Wartość
Rezystor bocznikowy (na płytce)	0,1 Ω
Zakres natężenia	±800 mA
Zakres pomiaru napięcia szyny	0–36 V
Zasilanie	2,7–5,5 V
Interfejs	I²C / SMBus
Rozdzielczość ADC	16 bitów
Częstotliwość próbkowania	domyślnie 900 Hz, maks. ok. 9 kHz
Błąd wzmocnienia ADC	0,1% maks.
Offset wejściowy	10 µV maks.
Liczba adresów (scalak)	16 adresów
Liczba adresów (płytka)	4 adresy
Wymiary PCB	21 × 19 × 2 mm

Czym różni się od prostego pomiaru przez ADC mikrokontrolera

Mógłbyś wzmocnić napięcie na boczniku wzmacniaczem operacyjnym i wpuścić je w przetwornik wbudowany w mikrokontroler. Tylko że wtedy sam odpowiadasz za offset wzmacniacza, jego dryft termiczny, napięcie referencyjne i szum zasilania. Tutaj cała ta analogowa robota jest już zrobiona w krzemie i skalibrowana fabrycznie.

Druga sprawa to tak zwany pomiar high-side. Wewnętrzny tor wejściowy znosi na swoich wejściach potencjał do 36 V niezależnie od tego, czym zasilasz logikę. Dzięki temu bocznik wstawiasz w gałąź dodatnią, a obciążenie zachowuje bezpośrednie połączenie z masą – co przy silnikach i przetwornicach oszczędza sporo kłopotów z pętlami masy.

HAL_StatusTypeDef INA226_WriteReg(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint16_t value) { uint8_t buf[2]; buf[0] = (value >> 8) & 0xFF; buf[1] = value & 0xFF; return HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, dev_addr, reg_addr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, 2, 100); }

Zwróć uwagę na kolejność bajtów. Scalak oczekuje big-endian, a STM32 pracuje w little-endian, więc starszy bajt musisz wysłać jako pierwszy. To najczęstsza przyczyna sytuacji, w której zapis niby przechodzi, a scalak zachowuje się losowo.

Configuration Register

Configuration Register pod adresem 0x00 steruje trybem pracy, czasem konwersji i liczbą uśrednień. Zawiera pola bitowe dla uśredniania (AVG), czasu konwersji napięcia szyny (VBUSCT), czasu konwersji na boczniku (VSHCT) oraz trybu pracy (Mode): ciągły, na żądanie albo power-down.

Uśrednianie to najprostsze narzędzie do walki z szumem. Przy AVG równym 16 pojedynczy wynik jest wyraźnie stabilniejszy, kosztem szesnastokrotnie dłuższego czasu odświeżania. Do monitorowania poboru w systemie bateryjnym śmiało ustaw 64 albo 128 – i tak nie interesują Cię pojedyncze mikrosekundy. Do obserwacji szybkich skoków obciążenia zostaw 1 i skróć czas konwersji.

Tryb power-down przydaje się, gdy Twoje urządzenie usypia. Scalak w tym stanie pobiera pojedyncze mikroampery, a po wybudzeniu wystarczy jeden zapis, żeby wrócić do pracy ciągłej.

Kalibracja rezystora bocznikowego i przeliczanie wartości

Scalak nie zna rezystancji Twojego bocznika – musisz mu ją przekazać przez Calibration Register pod adresem 0x05. Obliczenia wyglądają następująco:

1. Ustal maksymalne spodziewane natężenie (np. 0,8 A dla egzemplarza z 0,1 Ω).
2. Oblicz Current_LSB – maksimum podzielone przez 2 do potęgi 15.
3. Oblicz zawartość rejestru kalibracji – CAL = 0,00512 podzielone przez (Current_LSB razy R_shunt).

#define R_SHUNT_OHM 0.1f
#define MAX_CURRENT_A 0.8f
#define CAL_CONST 0.00512f

float current_lsb = MAX_CURRENT_A / 32768.0f;
uint16_t cal_value = (uint16_t)(CAL_CONST / (current_lsb * R_SHUNT_OHM));
INA226_WriteReg(&hi2c1, INA226_ADDR, 0x05, cal_value);

W praktyce: jeśli chcesz monitorować do 2A albo 1A, po prostu zmieniasz MAX_CURRENT_A i przeliczasz – reszta programu zostaje bez zmian. Dokładnie to samo zrobisz, gdy wymienisz rezystancję bocznikową na inną i zechcesz zmierzyć szerszy zakres.

Dobra praktyka: po zapisie odczytaj rejestr kalibracji z powrotem i porównaj z tym, co wysłałeś. Jedno sprawdzenie na starcie wyłapuje zarówno literówkę w adresie, jak i brak pull-upów na magistrali.

Odczyt prądu, pomiaru napięcia i mocy

Po konfiguracji i kalibracji możesz sięgać po rejestry wynikowe. Oto co każdy z nich daje:

• Shunt Voltage Register (0x01) – napięcie na boczniku, LSB = 2,5 µV, liczba ze znakiem,
• Bus Voltage Register (0x02) – potencjał szyny, LSB = 1,25 mV,
• Power Register (0x03) – moc, LSB = 25 razy Current_LSB,
• Current Register (0x04) – natężenie, LSB = Current_LSB z kalkulacji, liczba ze znakiem.

typedef struct { float current_mA; float voltage_mV; float power_mW; } INA226_Data_t;

HAL_StatusTypeDef INA226_ReadAll(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint8_t dev_addr, float current_lsb, INA226_Data_t *out) {
    uint8_t buf[2]; int16_t raw;
    HAL_I2C_Mem_Read(hi2c, dev_addr, 0x02, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, 2, 100);
    out->voltage_mV = ((int16_t)((buf[0] << 8) | buf[1])) * 1.25f;
    HAL_I2C_Mem_Read(hi2c, dev_addr, 0x04, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, 2, 100);
    raw = (int16_t)((buf[0] << 8) | buf[1]);
    out->current_mA = raw * current_lsb * 1000.0f;
    HAL_I2C_Mem_Read(hi2c, dev_addr, 0x03, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, buf, 2, 100);
    raw = (int16_t)((buf[0] << 8) | buf[1]);
    out->power_mW = raw * 25.0f * current_lsb * 1000.0f;
    return HAL_OK;
}

Wyniki możesz od razu wyświetlać przez UART na terminalu albo logować do bufora kołowego. Scalak co chwilę odświeża swoje rejestry, więc zawsze masz świeże dane pod ręką. Jeśli w projekcie masz wyświetlacz OLED, ta sama struktura nadaje się wprost do sformatowania trzech linii tekstu.

Kilka egzemplarzy na jednej magistrali

Zworki A0 i A1 dają cztery kombinacje, więc na jednej szynie zmieścisz cztery punkty kontrolne. To wygodne, gdy chcesz rozdzielić pobór na sekcje: osobno logika, osobno radio, osobno silnik.

W programie trzymaj wtedy tablicę struktur z adresem i własnym Current_LSB dla każdego egzemplarza, bo bocznik w każdym punkcie może mieć inną rezystancję, dobraną do spodziewanego obciążenia.

float alert_lsb = 0.7f / current_lsb;
uint16_t alert_val = (uint16_t)alert_lsb;
INA226_WriteReg(&hi2c1, INA226_ADDR, 0x07, alert_val);
INA226_WriteReg(&hi2c1, INA226_ADDR, 0x06, 0x8000);

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    if (GPIO_Pin == ALERT_Pin) {
        INA226_ReadAll(&hi2c1, INA226_ADDR, current_lsb, &ina_data);
    }
}

Wyjście jest open-drain i wymaga podciągnięcia do VCC. Po odczytaniu danych w przerwaniu skasuj flagę przez odczyt Mask/Enable Register – bez tego kolejne zgłoszenie nie przyjdzie.

Mask/Enable obsługuje kilka źródeł alarmu: przekroczenie napięcia różnicowego w górę i w dół, przekroczenie potencjału szyny w obie strony, przekroczenie mocy oraz zwykłą flagę Conversion Ready. Ustawiasz tylko jedno z nich naraz, więc zdecyduj, co w Twoim projekcie jest ważniejsze – limit mocy czy limit natężenia.

W obsłudze przerwania nie rób nic poza ustawieniem flagi i ewentualnym pojedynczym odczytem. Dłuższe transmisje po magistrali wewnątrz callbacku to prosta droga do zakleszczenia, zwłaszcza przy FreeRTOS.

FAQ – najczęstsze pytania

1. Jaki jest domyślny adres modułu? Zależy od ustawienia wyprowadzeń A0 i A1 – zworka decyduje o wartości. Sam scalak obsługuje 16 kombinacji, ale płytka ze sklepu msalamon.pl udostępnia 4 do wyboru. Jeśli nie pamiętasz, co ustawiłeś, uruchom skaner magistrali przez HAL_I2C_IsDeviceReady i sprawdź po kolei.

2. Czy czujnik działa z 5V? Zasilanie logiki mieści się w przedziale 2,7–5,5 V, więc podanie 5V jest bezpieczne. Linie danych i zegara powinny jednak pracować na poziomach logicznych zgodnych z Twoim mikrokontrolerem – przy STM32 zasilonym z 3,3 V podciągaj je do 3,3 V.

3. Co zrobić, gdy wynik natężenia jest zawsze zerowy? Najpierw sprawdź, czy Calibration Register (0x05) ma wpisaną liczbę różną od zera – bez tego Current Register zawsze zwróci zero. Potem zmierz napięcie bezpośrednio na końcówkach bocznika, żeby upewnić się, że w ogóle coś przez niego płynie.

4. Czy mogę użyć tego czujnika z Arduino lub ESP32? Tak, logika rejestrów jest identyczna niezależnie od platformy. Z Arduino i ESP32 korzystasz z bibliotek dostępnych dla tych platform zamiast HAL – sam program konfiguracji rejestrów wygląda tak samo. Gotowy przykład dla ESP32 znajdziesz na karcie produktu.

5. Jak zmienić zakres powyżej 800 mA? Wymień bocznik na mniejszy (np. 0,05 Ω dla zakresu do 1A lub 2A, 0,01 Ω dla 8A) i przelicz zawartość Calibration Register według wzoru z artykułu. Reszta programu nie wymaga żadnej zmiany.

6. Jak często mogę odczytywać dane? Domyślnie nowy wynik pojawia się około 900 razy na sekundę, a przy skróconych czasach konwersji nawet około 9 tysięcy razy. Odpytywanie szybsze niż konwersja nie ma sensu – dostaniesz tę samą liczbę kilka razy pod rząd.

7. Czy potrzebuję złącza śrubowego? Przy obciążeniach do jednego ampera spokojnie wystarczy goldpin z zestawu. Powyżej tej granicy przejdź na złącze śrubowe albo wlutuj doprowadzenia bezpośrednio w otwory – styk listwy zaczyna wtedy wnosić własną rezystancję i grzać się.

8. Czy mogę mierzyć po stronie masy zamiast po stronie plusa? Możesz, tor wejściowy przyjmuje też potencjał bliski zeru. Pomiar high-side jest jednak wygodniejszy, bo obciążenie zostaje bezpośrednio przy masie i nie tworzysz przesunięcia potencjału odniesienia dla reszty elektroniki.

Prezentowaną w artykule elektronikę – w tym moduł czujnika prądu i mocy INA226 – znajdziesz w naszym sklepie sklep.msalamon.pl. Zapraszamy również na nasze social media, gdzie pokazujemy nowości i projekty.

• Instagram
• Facebook
• YouTube
• TikTok