【STM32-INA219微电流检测】

概述

本篇采用INA219实时监测4mA内的电流值，电流精确到uA。

设计

1.原理

INA219检测电流的原理是计算电流经过采样电阻两端的压差，进行计算得到，整个过程由芯片自动计算，因此只需要确定好采样电阻、设置好寄存器即可获取到电流值。

根据芯片手册，经过分流电阻\(N\)（采样电阻）后，能够采集到的最低有效电压\(LSB\)为10uV。

最小电流参数 \(I_{LSB} = Current\_LSB\) 非常重要，有两种计算方法：

1. 电流公式（1）

\(LSB = 10\mu V\)
\(R = N\Omega\) (采样电阻阻值)

INA219	计算公式
最小电流（分辨率）	\(I_{LSB} = \frac{LSB}{R} = \frac{10\mu V}{N\Omega} (\mu A)\)
最大电流	\(I_{MAX} = I_{LSB} \times 2^{12}(\mu A)\)
最大电流（x8倍）	\(I_{8} = I_{MAX} \times 8\)

INA219为12位分辨率，即 \(2^{12}=4096\)
由于芯片内置放大器，可将电流值由1倍增益放大2、4、8倍，最大可测电流为\(I_{8}\)。

2. 电流公式（2）

首先，找到需要检测的最大电流所对应的电阻两端最大电压。如果需要8倍增益，则查表得，PGA=/8 代表最大电流（x8倍），其对应320mV。

\(R_{VMAX} = 320mV\) (查表得)
\(R = N\Omega\) (采样电阻阻值)

INA219	计算公式
最大电流	\(I_{MAX} = \frac{R_{VMAX} (mV)}{R(\Omega)}(mA)\)
最小电流（分辨率）	\(I_{LSB} = \frac{I_{MAX}}{2^{15}}(mA)\)

2.计算采样电阻阻值

检测4mA内电流，需要精度越高越好，分辨率最好在uA级别。
这里使用电流公式（1）计算：

若 \(R = 5\Omega\) :

最小分辨率 \(I_{LSB} = \frac{10\mu V}{5\Omega} = 2\mu A\)
最大检测电流 \(I_{MAX} = 2\mu A \times 4096 = 8.192mA\)
8倍增益后最大检测电流 \(I_{8} = 8.192mA \times 8 = 65.536mA\)

若 \(R = 10\Omega\) :
最小分辨率 \(I_{LSB} = \frac{10\mu V}{10\Omega} = 1\mu A\)
最大检测电流 \(I_{MAX} = 1\mu A \times 4096 = 4.096mA\)
2倍增益后最大检测电流 \(I_{2} = 4.096mA \times 2 = 8.192mA\)
8倍增益后最大检测电流 \(I_{8} = 4.096mA \times 8 = 32.768mA\)

选用 \(10\Omega\) 精度更高，但需要注意若超过4mA会超过量程（可能烧坏芯片），可配置寄存器设置为2倍或更高。
【此处我选择了5Ω，增益为1倍】

原理图

注：采样电阻更换为计算得到的阻值

根据手册，采样率大于1MHz时会出现高频噪声，可以在输入引脚串联低电阻和电容，形成滤波器过滤杂波

A1 A0下拉，查表得前7位：1000000，第0位读写位0或1，IIC地址为0x80、0x81

寄存器配置

INA219按要求正常工作的话，需要将校准值、模式配置写入寄存器；获取电压、电流等参数，也需要读取寄存器。

寄存器	地址	功能
模式配置寄存器（读/写）	0x00	设置量程、分辨率、工作模式等
分流电阻电压寄存器（只读）	0x01	存储分流电阻上的压降测量值
总线电压寄存器（只读）	0x02	存储总线电压测量值
功率寄存器（只读）	0x03	存储计算出的功率值
电流寄存器（只读）	0x04	存储计算出的电流值
基准（校准）寄存器（读/写）	0x05	设置校准值，用于电流 / 功率计算

1.基准(校准)寄存器 0x05

功能： 通过设置校准值，定义电流测量的分辨率（LSB），间接决定电流和功率的测量范围与精度。
格式： 16 位寄存器，无固定位定义，值需通过公式计算。

• 校准参数 \(Cal\) 由公式（1）得出，其中 \(Current\_LSB\) 由公式（2）得出

• \(Current\_LSB\) 为最小分辨率，即 \(I_{LSB}\) ，在这个公式中其单位要转成 \(A\)

• \(R_{SHUNT}\) 为采样电阻 \(R = N\Omega\)

• \(trunc()\) 为取整函数

我们使用 \(5\Omega\) 采样电阻时，可通过以上公式计算出校准参数：

\(R_{SHUNT} = 5\Omega\)

\(Current\_LSB\) $ = $ \(I_{LSB} = 2\mu A\) $ = 0.000002 A $

\(Cal = trunc(\frac{0.04096}{Current\_LSB \times R_{SHUNT}})\)

\(Cal = trunc(\frac{0.04096}{0.000002 \times 5}) = 4096\)

4096 = 0x1000

INA219_WriteReg(0x05, 0x1000); // 写入校准值

2.模式配置寄存器 0x00

功能： 配置芯片的电压量程、增益、ADC 分辨率、工作模式等核心参数，复位后需重新配置。
格式： 16 位寄存器，位定义如下（从高位到低位）：

位序号	位名称	功能描述
15	RESET	复位控制：1 = 芯片复位（所有寄存器恢复默认值），0 = 正常工作（写 1 后自动清零）
14-13	BRNG	总线电压量程选择： 00=16V（最大测量 16V，分辨率 4mV/LSB） 01=32V（最大测量 32V，分辨率 8mV/LSB） （注：实际总线电压需≤36V 绝对最大值）
12-11	PGA	分流电压增益（PGA）选择（决定分流电压量程）： 00=±40mV（增益 ×1） 01=±80mV（增益 ×2） 10=±160mV（增益 ×4） 11=±320mV（增益 ×8）
10-7	BADC	总线电压 ADC 分辨率 / 采样时间： 0000=9 位分辨率（单次采样，无滤波，84μs） 0001=10 位分辨率（单次采样，无滤波，148μs） 0010=11 位分辨率（单次采样，无滤波，276μs） 0011=12 位分辨率（单次采样，无滤波，532μs） 0100=12 位分辨率（2 次采样平均，弱滤波，1.06ms） 0101=12 位分辨率（4 次采样平均，中弱滤波，2.13ms） 0110=12 位分辨率（8 次采样平均，中滤波，4.26ms） 0111=12 位分辨率（16 次采样平均，中强滤波，8.51ms） 1000=12 位分辨率（32 次采样平均，强滤波，17.02ms） 1001=12 位分辨率（64 次采样平均，超强滤波，34.05ms） 1010=12 位分辨率（128 次采样平均，最强滤波，68.10ms）
6-3	SADC	分流电压 ADC 分辨率 / 采样时间： 【同上】 BADC（位 10-7），用于设置分流电压的 ADC 参数
2-0	MODE	工作模式选择（决定测量对象和频率）： 000 = 断电模式（省电） 001 = 分流电压单次测量 010 = 总线电压单次测量 011 = 分流 + 总线电压单次测量 100 = 仅分流电压连续测量 101 = 仅总线电压连续测量 110 = 保留 111 = 分流 + 总线电压连续测量

RESET	BRNG	PGA	BADC	SADC	MODE
0	01	00	0000	1010	111

0010 0000 0101 0111 = 0x2057

// 写入带滤波功能的配置值
INA219_WriteReg(0x00, 0x2057);

3.只读寄存器 0x01-0x04

这些寄存器存储测量结果，无需配置，但需理解其数据格式以正确转换为物理量。

1. 分流电压寄存器（0x01）

• 格式：16 位有符号补码，分辨率 10μV/LSB（固定）。
• 转换公式： $ V_{\text{SHUNT}} = \text{寄存器值} \times 10\mu\text{V} $
• 示例：若寄存器值为 0x0080（十进制 128），则 $ V_{\text{SHUNT}} = 128 \times 10\mu\text{V} = 1.28\text{mV} $

2. 总线电压寄存器（0x02）

• 格式：16 位，高 13 位有效（低 3 位为状态位，需忽略）。
• 分辨率：
  • 当 BRNG=00（16V 量程）：4mV/LSB；
  • 当 BRNG=01（32V 量程）：8mV/LSB。
• 转换公式： $ V_{\text{BUS}} = (\text{寄存器值} >> 3) \times \text{分辨率} $
• 示例：16V 量程下，寄存器值为 0x1000（二进制 0001 0000 0000 0000），则 $ V_{\text{BUS}} = (0x1000 >> 3) \times 4\text{mV} = 0x200 \times 4\text{mV} = 512 \times 4\text{mV} = 2.048\text{V} $

3. 电流寄存器（0x04）

• 格式：16 位有符号补码，单位为 Current_LSB（由校准寄存器决定）。
• 转换公式：$ I = \text{寄存器值} \times \text{Current_LSB} $
• 示例：若 Current_LSB=1mA/LSB，寄存器值为 0x0064（十进制 100），则 $ I = 100 \times 1\text{mA} = 100\text{mA} $。

4. 功率寄存器（0x03）

• 格式：16 位有符号补码，单位为 Power_LSB（固定为 20×Current_LSB）。
• 转换公式：$ P = \text{寄存器值} \times \text{Power_LSB} $
• 示例：若 Power_LSB=20mA（对应 Current_LSB=1mA），寄存器值为 0x000A（十进制 10），则 $ P = 10 \times 20\text{mA} = 200\text{mW} $

五、配置流程总结

1. 复位芯片：向配置寄存器写入 0x8000，确保寄存器初始化为默认值。
2. 配置工作参数：设置配置寄存器（量程、增益、ADC 分辨率、工作模式）。
3. 写入校准值：根据采样电阻和目标分辨率计算校准值，写入校准寄存器。
4. 读取测量值：从 0x01-0x04 寄存器读取数据，按公式转换为物理量。

关键注意事项

• 校准值直接决定测量精度，需根据实际采样电阻精确计算。
• 分流电压量程（PGA 设置）需与采样电阻、最大电流匹配，避免超量程（建议实际最大压降 < 量程的 90%）。
• 高分辨率（如 12 位 + 多次平均）可提高精度，但会增加测量时间；快速测量需牺牲分辨率。

通过以上配置，INA219 可实现高精度的电流、电压、功率监测，适用于电池管理、电源监控等场景。