Подключение АЦП ADS1115 к Raspberry pi

Недавно мне понадобилось подключить инфракрасный дальномер GP2Y0A710K0F к Raspberry pi. Выход у датчика аналоговый. Вот тут-то и начались поиски хорошего АЦП. В этой статье речь пойдет про АЦП ADS1115.  Если вы читаете эту статью, то вы наверняка уже знаете зачем он нужен.

Я расскажу о том, что я узнал про АЦП вцелом и про ADS1115 в частности. Важно заметить, что я не профессионал в данной сфере. Повторяя что-либо из этой статьи вы действуете на свой страх и риск:)

Аналоговый и Цифровой сигналы

Цифровой и аналоговый сигнал, это всего лишь напряжение (или его отсутствие). Такое напряжение можно померить вольтметром или осциллографом.
Для аналогового сигнала важна величина этого напряжения, а для цифрового — его отсутствие или наличие. 

Цифровой сигнал представляет собой промежутки времени когда некое напряжение находится выше определенной отметки или ниже ее. Например колебания от 0 до 5 вольт. Эти крайние состояни называются High и Low или 1 и 0. Цифровой сигнал более устойчив к помехам. Наиболее частой помехой (для Arduino или Raspberry) бывают скачки напряжения питания. Поэтому всегда разделяйте питание платы и периферии.

Аналоговый сигнал может принимать любое значение в заданном промежутке. Строго говоря, в диапазоне от 0 до 5 вольт может быть бесконечное число значений напряжения (зависит то того, с какой точностью мы измеряем). Ни Raspeberry pi, ни Arduino не работают непосредственно с аналоговым сигналом. Его нужно оцифровать. То есть, сигнал нужно измерить, а число передается «в наш код» уже в виде единиц и нулей.

АЦП (Аналого-цифровой преобразователь)

Устройство для преобразования аналогового сигнала в цифровой называется АЦП (Аналого-цифровой преобразователь, или ADS). В Arduino есть встроенный АЦП  с точностью 10 бит. Чем больше бит, тем более точный преобразователь при прочих равных. 10 бит, это 10 единиц и нулей (2¹⁰) чтобы передать значение напряжения. Для Arduino, напряжение от 0 до опорного (обычно 5в, но можно выставить другое значение) передается числом от 0 до 1023. При этом: 0 = 0 вольт, 1023 = 5 вольт.

Rapsberry pi нет встроенного АЦП. Но можно использовать внешний по I2C. Одним из таких является 16-битный ADS1115.

ADS1115

Datasheet можно сказать здесь (.pdf). Основные особенности:

• Точность: 16бит
• Частота дискретизации (то как часто считываются значения): 8-840Гц (программируется)
• Энергопотребление: 150 мкА (в стандартном режиме)
• Напряжение питания: 2 — 5.5 в.
• Интерфейс I2C для обмена данными с возможностью изменения адреса (пин ADDR)
• Имеет 4 регистра памяти по 2 байта в каждом для записи настроек и чтения результатов.
• 4 аналоговых пина (могут работать как 2 дифференциальных).

По умолчанию, адрес устройства на I2C 0x48 или 0b01001000*. Чтобы его поменять, необходимо соединить выход ADDR с одним из 4 контактов.

*Для перевода из шестнадцатеричной в двоичную систему я использую следующий код на javascript:

 Двоичная система визуально проще для понимания бит. 

Память устройства состоит из 4х регистров.

На конфигурации стоит остановиться подробнее. В нашем распоряжении 2 байта или 16 бит. Каждый бит имеет свое предназначение. Рассмотрим на примере конфигурации по умолчанию.

0b1000010110000011

Подключение ADS1115 к Raspberry pi 3

Подключаем ADS1115 к Rasbperry pi. В качестве примера, подключим к АЦП пальчиковую батарейку (можно любой другой источник напряжения до 6 вольт).

На Raspberry pi можно работать с большим количеством языков программирования. Я использую JavaScript.

const Raspi = require('raspi-io');
const five = require('johnny-five');
const board = new five.Board({
  io: new Raspi()
});

const pga = 6114; //берем из таблицы  

board.on('ready', function() {
  const virtual = new five.Board.Virtual(new five.Expander({ controller: 'ADS1115' }));
  // virtual.io.REGISTER.PIN[0]= 0b11000001; // первый байт конфига 
  virtual.io.REGISTER.PIN_DATA = 0b10100011; // второй байт конфига

  const sensor = new five.Sensor({
    pin: 0,
    board: virtual,
    freq: 250
  });

  sensor.on('data', function() {
    const voltage = this.value * pga / 32768;
    console.log(voltage / 1000);
  });
});

Для запуска этого кода нам понадобится Nodejs установленный на Raspberry pi.

Данный пример с кодом я залил на гитхаб. Чтобы его запустить нужно скачать или склонировать репозиторий:

Перейти в папку с кодом:

Установить зависимости (johnny-five и raspi-io):

Запустить код:

Если к вашей плате подключена пальчиковая батарейка, как показано на картинке выше, то в консоле вы увидите что-то в этом роде:

Значения измерений АЦП приведены в вольтах. Мой вольтметр показывал напряжение 1,57в. 

Результат измерения напряжения через АЦП я считаю успешным. Данный код запускал чип с величиной усилителя FSR = ±6.144 V.

Библиотеку на питоне можно найти здесь.

Впереди подключение инфракрасного дальномера.