Zaloguj
- Zakres pomiarowy napięcia: 0…10 V.
- Zakres pomiarowy prądu: 0…2 A.
- Zakres pomiarowy mocy: 0…10 W.
- Zakres pomiarowy energii: 0…10 Ah.
- Bazuje na układzie INA226.
- Komunikacja za pomocą mikrokontrolera ATtiny44.
Postanowiłem skonstruować niewielki monitor zasilania, który włącza się między monitorowany port USB a zasilane urządzenie, pokazujący wszystkie parametry źródła zasilania w jednym czasie. Tak oto powstał monitor parametrów zasilania USB, które jest tematem artykułu. Jego schemat ideowy pokazano na rysunku 1.
Jest to nieskomplikowany system mikroprocesorowy, jego sercem jest niewielki mikrokontroler ATtiny44 odpowiedzialny za programową implementację interfejsu I²C, przy użyciu którego mikrokontroler realizuje obsługę układu INA226 będącego specjalizowanym, bardzo dokładnym, 16-bitowym, różnicowym przetwornikiem A/C oraz obsługę niewielkiego, acz bardzo efektownego wyświetlacza OLED o rozdzielczości 128×32 piksele stanowiącego element graficznego interfejsu użytkownika. Wspomniany przetwornik A/C mierzy spadek napięcia na rezystorze szeregowym R1 (10 mV), dzięki czemu jest możliwe wyznaczenie prądu pobieranego przez urządzenie USB dołączone do portu USB_DEVICE. Nie jest to jednak zwykły, zewnętrzny przetwornik A/C, jakich wiele na rynku, ale specjalizowany układ przeznaczony do pomiaru prądu, napięcia i mocy urządzeń zasilanych napięciem stałym. Jako że jest to element wyjątkowy, warto choćby skrótowo zaznajomić się z jego specyfikacją.
Układ INA226 jest produkowany przez firmę Texas Instruments z przeznaczeniem do zastosowania w układach pomiaru prądu i mocy z wykorzystaniem bocznika rezystancyjnego. Układ ten wyróżnia się następującymi, wybranymi cechami użytkowymi:
- Szeroki zakres napięć zasilania: 2,7…5,5 V.
- Duża dokładność pomiaru rzędu 0,1%.
- Możliwość pracy w systemach o szerokim zakresie napięcia szyny zasilającej 0…36 V.
- Możliwość pracy w konfiguracji low-side lub high-side.
- Bezpośredni pomiar napięcia, prądu i mocy.
- Konfigurowalny czas przetwarzania wbudowanego przetwornika A/C.
- Konfigurowalna funkcja uśredniania pomiarów.
- Dwa tryby pracy wbudowanego przetwornika A/C: ciągły i wyzwalany.
- Możliwość alarmowania po przekroczeniu zadanego poziomu prądu, napięcia szyny zasilającej odbiornik lub mocy pobieranej przez odbiornik.
Jak widać, układ INA226 idealnie wpisuje się w wymagania naszej aplikacji, oferując niespotykaną funkcjonalność i dokładność pomiarów. Schemat blokowy układu INA226 pokazano na rysunku 2.
Układ INA226 dokonuje ciągłego lub wyzwalanego przez aplikację pomiaru dwóch napięć: napięcia szyny zasilającej odbiornik (VBUS) oraz napięcia na zaciskach bocznika rezystancyjnego (VSHUNT), połączonego szeregowo z odbiornikiem. Na podstawie tych dwóch wielkości i zawartości rejestru konfiguracyjnego CALIBRATION, którego wartość zależy od wymaganej rozdzielczości pomiaru i parametrów zastosowanego bocznika rezystancyjnego, układ oblicza prąd oraz moc pobieraną przez odbiornik i udostępnia je aplikacji użytkownika, ładując obliczone wielkości do stosownych rejestrów konfiguracyjnych, jak również ustawiając flagi zakończenia konwersji. Ponadto, dzięki wyposażeniu go w grupę specjalnych rejestrów konfiguracyjnych odpowiedzialnych za porównywanie zmierzonych i obliczonych wartości z wartościami progowymi, jak również wyjście ALERT, umożliwia generowanie alarmów po przekroczeniu zdefiniowanych przez użytkownika progów: napięcia szyny zasilającej, napięcia na boczniku pomiarowym i mocy pobieranej przez odbiornik.
CKSEL3...0: 0010
SUT1...0: 10
CKDIV8: 0
CKOUT: 1
DWEN: 1
EESAVE: 0
Układ ma też możliwość niezależnej konfiguracji czasu przetwarzania przetwornika A/C, oddzielnie dla napięcia szyny zasilającej i napięcia bocznika rezystancyjnego oraz możliwość uśredniania pomiarów tych wielkości. Dzięki takiemu podejściu wydatnie zwiększono funkcjonalność użytkową układu oraz możliwość dostosowaniu trybu jego pracy do wymagań konkretnej aplikacji. Wydłużenie czasu przetwarzania zwiększa uzyskaną dokładność pomiaru, zaś uśrednianie większej liczby próbek zdecydowanie polepsza odstęp sygnału od szumu, w związku z czym w rzeczywistych aplikacjach należy dobierać maksymalne i możliwe do zaakceptowania wartości tych parametrów, kierując się, dla przykładu, szybkością zmian badanych przebiegów.
Aby poznać możliwości drzemiące w układzie INA226, warto przyjrzeć się rejestrom konfiguracyjnym. Będziemy korzystali z operacji zapisu i odczytu rejestrów konfiguracyjnych, więc na rysunku 3 pokazano niezbędną sekwencję sygnałów magistrali I²C dla obu rodzajów operacji.
Rejestr: CONFIGURATION [0x00]
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
RST X X X AVG2 AVG1 AVG0 BUSCT2 BUSCT1 BUSCT0 SHCT2 SHCT1 SHCT0 M2 M1 M0
Rejestr CONFIGURATION służy do ustawiania podstawowych parametrów pracy wbudowanego w układ INA226 przetwornika A/C. Znaczenie poszczególnych bitów jest następujące:
- RST – ustawienie tego bitu wymusza zerowanie układu INA226 i przywrócenie domyślnych wartości rejestrów.
- AVG2…AVG0 – kombinacja bitów determinuje liczbę pomiarów wykonywanych przez przetwornik A/C w celu uśrednienia wartości wynikowych (napięć szyny zasilającej i bocznika) umieszczonych następnie w stosownych rejestrach danych. Uśrednianie coraz większej liczby pomiarów zwiększa wydatnie dokładność pomiarów, lecz z drugiej strony wydłuża sumaryczny czas konwersji, co nie zawsze jest dopuszczalne. Znaczenie poszczególnych ustawień tychże bitów przedstawia się następująco (wynikiem ustawień jest liczba uśrednianych próbek): 000 → 1, 001 → 4, 010 → 16, 011 → 64, 100 → 128, 101 → 256, 110 → 512, 111 → 1024.
- BUSCT2… BUSCT0 – ustawienia bitów determinują czas przetwarzania (konwersji) przetwornika A/C dla pomiaru napięcia szyny zasilającej VBUS. Znaczenie poszczególnych ustawień bitów przedstawia się następująco: 000 → 140 ms, 001 → 204 ms, 010 → 332 ms, 011 → 588 ms, 100 → 1,1 ms, 101 → 2,116 ms, 110 → 4,156 ms, 111 → 8,244 ms.
- SHCT2… SHCT0 – ustawienia bitów determinują czas przetwarzania (konwersji) przetwornika A/C dla pomiaru napięcia bocznika pomiarowego VSHUNT. Znaczenie poszczególnych ustawień tychże bitów jest analogiczna do przypadku pomiaru napięcia szyny zasilającej.
- M2… M0 – ustawienia bitów determinują tryb pracy przetwornika A/C. Znaczenie poszczególnych ustawień umieszczono w tabeli 1.
Rejestr: SHUNT VOLTAGE [0x01]
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
S SD14 SD13 SD12 SD11 SD10 SD9 SD8 SD7 SD6 SD5 SD4 SD3 SD2 SD1 SD0
Rejestr SHUNT VOLTAGE przechowuje 16-bitowy (ze znakiem, w standardzie U2) wynik przetwarzania napięcia bocznika pomiarowego VSHUNT. Dostęp do tego rejestru z poziomu magistrali I²C nie podlega żadnym ograniczeniom, jednak wartość tam umieszczona jest prawidłowa dopiero po zakończeniu pomiaru stosownego napięcia (zakończeniu przetwarzania) lub po zakończeniu serii pomiarów, w przypadku wykorzystania mechanizmu uśredniania pomiarów. Wartość najmniej znaczącego bitu dla tego rejestru wynosi 2,5 mV.
Rejestr: BUS VOLTAGE [0x02]
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
X BD14 BD13 BD12 BD11 BD10 BD9 BD8 BD7 BD6 BD5 BD4 BD3 BD2 BD1 BD0
Rejestr BUS VOLTAGE przechowuje 15-bitowy wynik przetwarzania napięcia szyny zasilającej VBUS. Dostęp do tego rejestru z poziomu magistrali I²C nie podlega żadnym ograniczeniom, jednak wartość tam umieszczona jest prawidłowa dopiero po zakończeniu pomiaru stosownego napięcia (zakończeniu przetwarzania) lub po zakończeniu serii pomiarów, w przypadku wykorzystania mechanizmu uśredniania pomiarów. Wartość najmniej znaczącego bitu dla tego rejestru wynosi 1,25 mV.
Rejestr: POWER [0x03]
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
PD15 PD14 PD13 PD12 PD11 PD10 PD9 PD8 PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0
Rejestr POWER przechowuje 16-bitowy wynik obliczeń mocy pobieranej przez odbiornik. Dostęp do tego rejestru z poziomu magistrali I²C nie podlega żadnym ograniczeniom, jednak wartość tam umieszczona jest prawidłowa dopiero po zakończeniu pomiarów napięć szyny zasilającej i bocznika. Wartość najmniej znaczącego bitu dla tego rejestru zależna jest od wybranej przez użytkownika rozdzielczości pomiaru prądu odbiornika (CURRENT_LSB), o czym później, i wynosi 25* CURRENT_LSB.
Rejestr: CURRENT [0x04]
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
S CD14 CD13 CD12 CD11 CD10 CD9 CD8 CD7 CD6 CD5 CD4 CD3 CD2 CD1 CD0
Rejestr CURRENT przechowuje 16-bitowy (ze znakiem, w standardzie U2) wynik obliczeń prądu pobieranego przez odbiornik. Prąd ten obliczany jest na podstawie poniższej zależności (użyte nazwy reprezentują wartości umieszczone w stosownych rejestrach układu):
CURRENT = (SHUNT_VOLTAGE*CALIBRATION)/2048
Wartość najmniej znaczącego bitu tego rejestru równa jest wybranej w procedurze obliczania wartości dla rejestru kalibracyjnego rozdzielczości pomiaru prądu odbiornika (CURRENT_LSB). Dostęp do tego rejestru z poziomu magistrali I²C nie podlega żadnym ograniczeniom, jednak wartość tam umieszczona jest prawidłowa dopiero po zakończeniu pomiaru napięcia bocznika.
Rejestr: CALIBRATION [0x05]
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
X BD14 BD13 BD12 BD11 BD10 BD9 BD8 BD7 BD6 BD5 BD4 BD3 BD2 BD1 BD0
Rejestr CALIBRATION przechowuje 15-bitową wartość kalibracji niezbędną do przeprowadzenia przez układ INA226 obliczeń prądu i mocy pobieranej przez odbiornik. Potrzeba wprowadzenia takiego, dodatkowego rejestru wynika z faktu, iż układ INA226 mierzy tak naprawdę wyłącznie napięcie bocznika i szyny zasilającej i na ich podstawie wyznacza inne wartości, w związku z czym, jeśli nie dysponowałby jakąkolwiek informacją o rezystancji zastosowanego bocznika (i wymaganej rozdzielczości obliczeń), nie byłby w stanie dostarczyć gotowych wartości prądu i mocy pobieranej przez odbiornik. Aby temu sprostać, do rejestru CALIBRATION należy wpisać wartość, która zależna jest od oczekiwanej rozdzielczości pomiaru (czyli wartości najmniej znaczącego bitu) i wartości zastosowanego bocznika rezystancyjnego. Wartość rejestru CALIBRATION wyznaczamy na podstawie poniższego wzoru:
CALIBRATION =(5120/(CURRENT_LSB* SHUNT_RESISTOR))
gdzie wartość CURRENT_LSB wyrażona jest w [mA], zaś wartość SHUNT_RESISTOR w [mV].
Rejestr: MASK/ENABLE [0x06]
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
SOL SUL BOL BUL POL CNVR X X X X X AFF CVRF OVF APOL LEN
Rejestr MASK/ENABLE służy do konfiguracji bardzo ciekawej funkcjonalności, jaką udostępnia układ INA226, a mianowicie możliwości zgłaszania sprzętowego alarmu (wyjście ALERT) po przekroczeniu przez wybrane wielkości mierzone czy też obliczone zadanego progu wyzwalania. Znaczenie poszczególnych bitów tego rejestru przedstawia się następująco:
- SOL – ustawienie tego bitu powoduje wywołanie alarmu po przekroczeniu przez napięcie bocznika wartości progowej zdefiniowanej w rejestrze ALERT LIMIT.
- SUL – ustawienie tego bitu powoduje wywołanie alarmu w przypadku, gdy napięcie bocznika spadnie poniżej wartości progowej zdefiniowanej w rejestrze ALERT LIMIT.
- BOL – ustawienie tego bitu powoduje wywołanie alarmu po przekroczeniu przez napięcie szyny zasilającej wartości progowej zdefiniowanej w rejestrze ALERT LIMIT.
- BUL – ustawienie tego bitu powoduje wywołanie alarmu w przypadku, gdy napięcie szyny zasilającej spadnie poniżej wartości progowej zdefiniowanej w rejestrze ALERT LIMIT.
- POL – ustawienie tego bitu powoduje wywołanie alarmu po przekroczeniu przez moc pobieraną przez odbiornik wartości progowej zdefiniowanej w rejestrze ALERT LIMIT.
- CNVR – ustawienie tego bitu powoduje wywołanie alarmu po zakończeniu bieżącej konwersji napięć (i wykonaniu stosownych obliczeń) i jest jednoznaczne z gotowością układu INA226 do wykonania kolejnych pomiarów.
- AFF – flaga, która jest ustawiania za każdym razem, gdy wystąpi alarm od przekroczenia wartości progowych. Pozwala na rozróżnienie przez aplikację użytkownika, czy wyprowadzenie ALERT zgłosiło alarm od przekroczenia wartości progowych, czy po zakończeniu konwersji pomiarów napięć, w przypadku wykorzystywania tej ostatniej funkcjonalności.
- CVRF – flaga, która jest ustawiana po zakończeniu bieżącej konwersji napięć (to znaczy wszystkich konwersji w ramach całego procesu uśredniania pomiarów, jeśli korzysta się z tej funkcjonalności).
- OVF – flaga, która jest ustawiana w wypadku wystąpienia błędów obliczeń arytmetycznych. W takim wypadku wartości dostępne w rejestrach CURRENT I POWER mogą nie być poprawne.
- APOL – ustawienia tego bitu determinują polaryzację wyprowadzenia ALERT, czyli stan aktywny w przypadku wystąpienia alarmu według następującej specyfikacji: 0 → aktywny stan niski, 1 → aktywny stan wysoki.
- LEN – ustawienia tego bitu determinują funkcjonalność zatrzaskiwania stanu wyprowadzenia ALERT (i stosownych flag) po wystąpieniu alarmu. W razie wyzerowania tego bitu wyprowadzenie ALERT (i stosowne flagi) powróci do swojego stanu nieaktywnego, gdy tylko zdarzenie wywołujące alarm ustąpi. W przeciwnym wypadku wyprowadzenie ALERT i stosowne flagi pozostaną w stanie aktywnym do czasu wykonania operacji odczytu rejestru MASK/ENABLE.
Rejestr: ALERT LIMIT [0x07]
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
AL15 AL14 AL13 AL12 AL11 AL10 AL9 AL8 AL7 AL6 AL5 AL4 AL3 AL2 AL1 AL0
Rejestr ALERT LIMIT przechowuje 16-bitową wartość progu zadziałania dla mechanizmu alarmowania.
Uff, przebrnęliśmy przez lekturę dotyczącą właściwości układu INA226, ale moim zdaniem było warto! Układ jest naprawdę arcyciekawy i dodatkowo dysponuje doskonałymi parametrami elektrycznymi. Pora więc na trochę praktyki w postaci źródeł programu obsługi tego peryferium.
#define SHUNT_RESISTOR_VALUE 10 //[mohm]
#define CHOSEN_CURRENT_LSB 1 //[mA]
#define CALCULATED_CALIBRATION_VALUE (5120/(CHOSEN_CURRENT_LSB* SHUNT_RESISTOR_VALUE))
#define INA226_WRITE_ADDR 0x80 //A1..A0 connected to GND
#define INA226_READ_ADDR 0x81 //A1..A0 connected to GND
#define INA226_CONFIG_REG 0x00
#define SOFTWARE_RESET (1<<15)
#define AVERAGES_1 (0<<9) //Default
#define AVERAGES_4 (1<<9)
#define AVERAGES_16 (2<<9)
#define AVERAGES_64 (3<<9)
#define AVERAGES_128 (4<<9)
#define AVERAGES_256 (5<<9)
#define AVERAGES_512 (6<<9)
#define AVERAGES_1024 (7<<9)
#define BUS_CONV_TIME_140US (0<<6)
#define BUS_CONV_TIME_204US (1<<6)
#define BUS_CONV_TIME_332US (2<<6)
#define BUS_CONV_TIME_588US (3<<6)
#define BUS_CONV_TIME_1100US (4<<6) //Default
#define BUS_CONV_TIME_2116US (5<<6)
#define BUS_CONV_TIME_4156US (6<<6)
#define BUS_CONV_TIME_8244US (7<<6)
#define SHUNT_CONV_TIME_140US (0<<3)
#define SHUNT_CONV_TIME_204US (1<<3)
#define SHUNT_CONV_TIME_332US (2<<3)
#define SHUNT_CONV_TIME_588US (3<<3)
#define SHUNT_CONV_TIME_1100US (4<<3) //Default
#define SHUNT_CONV_TIME_2116US (5<<3)
#define SHUNT_CONV_TIME_4156US (6<<3)
#define SHUNT_CONV_TIME_8244US (7<<3)
#define MODE_POWER_DOWN (0<<0)
#define MODE_SHUNT_TRIG (1<<0)
#define MODE_BUS_TRIG (2<<0)
#define MODE_SHUNT_BUS_TRIG (3<<0)
#define MODE_ADC_OFF (4<<0)
#define MODE_SHUNT_CONT (5<<0)
#define MODE_BUS_CONT (6<<0)
#define MODE_SHUNT_BUS_CONT (7<<0) //Default
#define INA226_SHUNT_VOLTAGE_REG 0x01
#define INA226_BUS_VOLTAGE_REG 0x02
#define INA226_POWER_REG 0x03
#define INA226_CURRENT_REG 0x04
#define INA226_CALIBRATION_REG 0x05
#define INA226_ALARM_ENABLE_REG 0x06
#define SHUNT_OVER_VOLTAGE_ALARM (1<<15)
#define SHUNT_UNDER_VOLTAGE_ALARM (1<<14)
#define BUS_OVER_VOLTAGE_ALARM (1<<13)
#define BUS_UNDER_VOLTAGE_ALARM (1<<12)
#define OVER_POWER_ALARM (1<<11)
#define CONVERSION_READY_ALARM (1<<10)
#define ALERT_FUNCTION_FLAG (1<<4)
#define CONVERSION_READY_FLAG (1<<3)
#define MATH_OVERFLOW_FLAG (1<<2)
#define ALARM_PIN_ACTIVE_HIGH (1<<1)
#define ALARM_PIN_ACTIVE_LOW (0<<1)
#define ALARM_LATCH_ENABLED (1<<0)
#define ALARM_LATCH_DISABLED (0<<0)
#define INA226_ALERT_LIMIT_REG 0x07
#define INA226_DIE_ID_REG 0xFF
Na listingu 1 przedstawiono zawartość pliku nagłówkowego modułu odpowiedzialnego za obsługę układu INA226, zaś na listingu 2 funkcje pozwalających na odczyt i zapis rejestrów konfiguracyjnych układu.
void INA226writeRegister(uint8_t registerAddr, uint16_t registerValue)
{
i2cStart();
i2cWriteByte(INA226_WRITE_ADDR); //INA226 WR address
i2cWriteByte(registerAddr); //Written register address
i2cWriteByte(registerValue>>8); //Register MSB value
i2cWriteByte(registerValue & 0xFF); //Register LSB value
i2cStop();
}
uint16_t INA226readRegister(uint8_t registerAddr)
{
register uint16_t readValue;
i2cStart();
i2cWriteByte(INA226_WRITE_ADDR); //INA226 WR address
i2cWriteByte(registerAddr); //Written register address
i2cRepeatStart(); //Restart
i2cWriteByte(INA226_READ_ADDR); //INA226 RD address
readValue = i2cReadByte(ACK)<<8;
readValue |= i2cReadByte(NACK);
i2cStop();
return readValue;
}
Dalej, na listingu 3 zamieszczono funkcje konfigurujące układ INA226, zaś na listingach 4…6 odpowiedzialne za pomiar prądu, napięcia i mocy urządzenia monitorowanego.
void INA226init(uint16_t Configuration)
{
//Konfigurowanie INA226
INA226writeRegister(INA226_CONFIG_REG, Configuration);
//Kalibrowanie INA226
INA226writeRegister(INA226_CALIBRATION_REG, CALCULATED_CALIBRATION_VALUE);
}
uint16_t INA226readCurrent(void) //CHOSEN_CURRENT_LSB = 1mA
{
register uint16_t readValue;
readValue = INA226readRegister(INA226_CURRENT_REG);
//Dla wartości ujemnych przyjmujemy 0
if(readValue & (1<<15)) readValue = 0;
return readValue;
}
uint16_t INA226readBusVoltage(void) //[mV]
{
register uint16_t readValue;
readValue = INA226readRegister(INA226_BUS_VOLTAGE_REG); //LSB = 1.25mV
readValue += (readValue/4); //readValue = 1.25*readValue -> otrzymamy wartość w [mV]
return readValue;
}
uint16_t INA226readPower(void) //[mW]
{
register uint16_t readValue;
readValue = INA226readRegister(INA226_POWER_REG)*25; //LSB = 25mW
return readValue;
}
W tym miejscu posiadamy już wszystkie, niezbędne informacje dotyczące zasady działania układu INA226, pora więc na przedstawienie szczegółów implementacyjnych dotyczących modułu zastosowanego wyświetlacza OLED, jako że on również stanowi bardzo ciekawe rozwiązanie układowe. Moduł ten wykorzystuje panel OLED o przekątnej 0,91” i rozdzielczości 128×32 piksele, wyposażony w popularny sterownik ekranu SSD1306 skonfigurowany do pracy jako element sterowany za pomocą magistrali I²C. Jest to dość wygodne rozwiązanie, ponieważ wymaga zaangażowania tylko 2 wyprowadzeń mikrokontrolera do przeprowadzenia transmisji z modułem wyświetlacza, lecz niepozbawione wad, gdzie jedną z nich jest niewielka prędkość transmisji wpływająca na częstość odświeżania ekranu. Tradycyjnie zacznę od pokazania zawartości pliku nagłówkowego związanego z obsługą naszego peryferium, który to plik pokazano na listingu 7. Dalej, na listingach 8 i 9 przedstawię podstawowe funkcje obsługi odpowiedzialne za przesłanie do sterownika SSD1306 rozkazu lub danej pamięci obrazu.
//OLED I²C WRITE ADDRESS
#define OLED_WR_ADDRESS 0x78
//DATA/COMMAND BYTE DEFINITIONS
#define DATA_BYTE 0x40
#define COMMAND_BYTE 0x00
//OLED COMMANDS
#define SET_CONTRAST_CMD 0x81
#define DISPLAY_ALLON_RESUME_CMD 0xA4
#define DISPLAY_ALLON_CMD 0xA5
#define NORMAL_DISPLAY_CMD 0xA6
#define INVERSE_DISPLAY_CMD 0xA7
#define DISPLAY_OFF_CMD 0xAE
#define DISPLAY_ON_CMD 0xAF
#define SET_DISPLAY_OFFSET_CMD 0xD3
#define SET_COM_PINS_CMD 0xDA
#define SET_VCOMH_DESELECT_CMD 0xDB
#define SET_DISPLAY_CLOCK_DIV_CMD 0xD5
#define SET_PRECHARGE_PERIOD_CMD 0xD9
#define SET_MULTIPLEX_RATIO_CMD 0xA8
#define SET_START_LINE_CMD 0x40
#define MEMORY_MODE_CMD 0x20
#define SET_COLUMN_ADDR_CMD 0x21
#define SET_PAGE_ADDR_CMD 0x22
#define SET_COM_SCAN_NORMAL_CMD 0xC0
#define SET_COM_SCAN_REMAPPED_CMD 0xC8
#define SET_SEG_REMAPING_CMD 0xA0
#define CHARGEPUMP_CMD 0x8D
void SSD1306writeCmnd(uint8_t Command)
{
i2cStart();
i2cWriteByte(OLED_WR_ADDRESS);
i2cWriteByte(COMMAND_BYTE); //Control byte
i2cWriteByte(Command); //Data byte
i2cStop();
}
void SSD1306writeData(uint8_t Data)
{
i2cStart();
i2cWriteByte(OLED_WR_ADDRESS);
i2cWriteByte(DATA_BYTE); //Control byte
i2cWriteByte(Data); //Data byte
i2cStop();
}
Jak widać, o tym, czy przesyłana dana jest wartością rejestru konfiguracyjnego, czy też zwyczajnie daną obrazu do wyświetlenia, decyduje wartość drugiego z przesyłanych bajtów danych (tuż po adresie urządzenia) nazywanego tutaj „Control byte”. Warto również podkreślić, że sterownik SSD1306 może przyjmować wiele następujących po sobie danych bez zmiany ich charakteru, tzn. w znaczeniu czy są wartościami kolejnych rejestrów konfiguracyjnych, czy też kolejnymi danymi obrazu. Krótko mówiąc, wysyłamy odpowiednią wartość bajta „Control byte” a po nim szereg kolejno następujących po sobie wartości pamięci ekranu. Tego rodzaju mechanizm, co nie jest bez znaczenia, wydatnie przyspiesza wyświetlanie danych. Pora na przedstawienie funkcji inicjalizacyjnej, którą pokazano na listingu 10.
void OLEDinit(void)
{
SSD1306writeCmnd(DISPLAY_OFF_CMD);
SSD1306writeCmnd(SET_START_LINE_CMD | 0x00);
SSD1306writeCmnd(SET_CONTRAST_CMD);
SSD1306writeCmnd(0x8F); //Contrast
SSD1306writeCmnd(SET_SEG_REMAPING_CMD | 0x00);
SSD1306writeCmnd(SET_COM_SCAN_NORMAL_CMD);
SSD1306writeCmnd(NORMAL_DISPLAY_CMD);
SSD1306writeCmnd(SET_MULTIPLEX_RATIO_CMD);
SSD1306writeCmnd(0x1F);
SSD1306writeCmnd(SET_DISPLAY_OFFSET_CMD);
SSD1306writeCmnd(0x00); //No offset
SSD1306writeCmnd(SET_DISPLAY_CLOCK_DIV_CMD);
SSD1306writeCmnd(0x80); //Set divide ratio, Set Clock as 100 Frames/Sec
SSD1306writeCmnd(SET_PRECHARGE_PERIOD_CMD);
SSD1306writeCmnd(0xF1); //Set Pre-Charge as 15 Clocks & Discharge as 1 Clock
SSD1306writeCmnd(SET_COM_PINS_CMD);
SSD1306writeCmnd(0x02);
SSD1306writeCmnd(SET_VCOMH_DESELECT_CMD);//--set vcomh
SSD1306writeCmnd(0x40); //Set VCOM Deselect Level
SSD1306writeCmnd(MEMORY_MODE_CMD);
SSD1306writeCmnd(0x00); //Horizontal addressing mode
SSD1306writeCmnd(CHARGEPUMP_CMD);
SSD1306writeCmnd(0x14); //Disable
SSD1306writeCmnd(DISPLAY_ALLON_RESUME_CMD);
SSD1306writeCmnd(NORMAL_DISPLAY_CMD);
SSD1306writeCmnd(DISPLAY_ON_CMD);
}
//Column: 0...127, Page: 0...3
void OLEDsetActiveWindow(uint8_t startColumn, uint8_t startPage, uint8_t endColumn, uint8_t endPage)
{
SSD1306writeCmnd(SET_COLUMN_ADDR_CMD);
SSD1306writeCmnd(startColumn);
SSD1306writeCmnd(endColumn);
SSD1306writeCmnd(SET_PAGE_ADDR_CMD);
SSD1306writeCmnd(startPage);
SSD1306writeCmnd(endPage);
}
Dalej, na listingu 11 zamieszczono funkcję narzędziową odpowiedzialną za ustawienie aktywnego obszaru ekranu, w ramach którego przeprowadzany jest zapis do pamięci ekranu sterownika SSD1306. Tego typu rozwiązanie znacznie przyspiesza proces wyświetlania danych obrazu, gdyż w pierwszej kolejności definiujemy aktywny obszar pamięci ekranu sterownika SSD1306, zaś w drugim zwyczajnie przesyłamy szereg następujących po sobie bajtów danych obrazu, które zostaną niejako „ułożone” w zdefiniowanym wcześniej obszarze, standardowo począwszy od lewej do prawej i z góry na dół. Kolejność umieszczania wspomnianych danych podlega konfiguracji, przez co możemy w łatwy sposób operować obracaniem wyświetlanych danych. Funkcję pozwalającą na wspomniane wcześniej operowanie obracaniem ekranu pokazano na listingu 12.
void OLEDsetRotation(uint8_t Rotation)
{
if(Rotation)
{
SSD1306writeCmnd(SET_SEG_REMAPING_CMD | 0x00);
SSD1306writeCmnd(SET_COM_SCAN_NORMAL_CMD);
}
else
{
SSD1306writeCmnd(SET_SEG_REMAPING_CMD | 0x01);
SSD1306writeCmnd(SET_COM_SCAN_REMAPPED_CMD);
}
}
Czas na funkcje odpowiedzialne za rysowanie prostych elementów graficznych, to jest funkcję odpowiedzialną za wyświetlanie obrazków na ekranie wyświetlacza OLED oraz funkcję pozwalającą na rysowanie znaków, z użyciem bieżącej czcionki ekranowej, której parametry przechowuje globalna zmienna CurrentFont. Wspomniane funkcje pokazano na listingach 13 i 14. Do pokazania pozostaje funkcja ustawiająca parametry bieżącej czcionki ekranowej – listing 15.
void OLEDdrawBitmap(uint8_t Column, uint8_t Page, const uint8_t *Bitmap)
{
register uint8_t Width, Height;
register uint16_t bytesToSend;
Width = pgm_read_byte(Bitmap++); //Pierwszy bajt tablicy Bitmap to szerokość: 0...127
Height = pgm_read_byte(Bitmap++)>>3; //Drugi bajt tablicy Bitmap to wysokość: 8, 16, 24...64 -> przeliczamy na bajty
bytesToSend = Width*Height; //Liczba bajtów przeznaczonych do wysłania do OLEDa
OLEDsetActiveWindow(Column, Page, Column+Width-1, Page+Height-1);
i2cStart();
i2cWriteByte(OLED_WR_ADDRESS);
i2cWriteByte(DATA_BYTE); //Control byte
while(bytesToSend--) i2cWriteByte(pgm_read_byte(Bitmap++));
i2cStop();
}
void OLEDdrawChar(char Character, uint8_t Column, uint8_t Page)
{
const uint8_t *dataPointer;
register uint8_t bytesToSend;
//Ustalamy adres początku wzorca znaku ASCII, który zamierzamy wyświetlić
dataPointer = &CurrentFont.Bitmap[(CurrentFont.BytesPerChar*(Character-CurrentFont.FirstCharCode))];
//Określamy okno zapisu by uprościć samą procedurę zapisu
OLEDsetActiveWindow(Column, Page, Column+CurrentFont.Width-1, Page+CurrentFont.Height-1);
//Określamy liczbę bajtów do wysłania
bytesToSend = CurrentFont.BytesPerChar;
i2cStart();
i2cWriteByte(OLED_WR_ADDRESS);
i2cWriteByte(DATA_BYTE); //Control byte
while(bytesToSend--) i2cWriteByte(pgm_read_byte(dataPointer++));
i2cStop();
}
void OLEDsetFont(const fontDescription *Font)
{
//Rzeczywista szerokosc czcionki
CurrentFont.Width = pgm_read_byte(&Font->Width);
//Rzeczywista wysokosc czcionki
CurrentFont.Height = pgm_read_byte(&Font->Height);
//Odstęp pomiędzy znakami
CurrentFont.Interspace = pgm_read_byte(&Font->Interspace);
//Liczba bajtow na definicje pojedyńczego znaku
CurrentFont.BytesPerChar = pgm_read_byte(&Font->BytesPerChar);
//Kod ASCII definicji pierwszego znaku
CurrentFont.FirstCharCode = pgm_read_byte(&Font->FirstCharCode);
//Wskaźnik do tablicy wzorców tej czcionki
CurrentFont.Bitmap = (uint8_t*)pgm_read_word(&Font->Bitmap);
}
To tyle, jeśli chodzi o obsługę tego niezmiernie ciekawego panelu OLED, który z uwagi na doskonałą jakość obrazu, bardzo niską cenę i niewielkie rozmiary może znaleźć zastosowanie w niejednym praktycznym projekcie. Przejdźmy zatem do tytułowego urządzenia, którego schemat montażowy pokazano na rysunku 4.
Jak widać, zaprojektowano bardzo zgrabną, niewielką płytkę drukowaną, która swoim kształtem przypomina typowe urządzenie podłączane do portu USB. Montaż układu rozpoczynamy od przylutowania elementu INA226. Proces ten najłatwiej wykonać przy użyciu stacji lutowniczej na gorące powietrze (tzw. Hot Air) i odpowiednich stopów lutowniczych. Jeśli jednak nie dysponujemy tego rodzaju sprzętem, można również zastosować metodę z wykorzystaniem typowej stacji lutowniczej. Najprostszym sposobem montażu elementów o tak dużym zagęszczeniu wyprowadzeń, niewymagającym jednocześnie posiadania specjalistycznego sprzętu, jest użycie typowej stacji lutowniczej, dobrej jakości cyny z odpowiednią ilością topnika oraz dość cienkiej plecionki rozlutowniczej, która umożliwi usunięcie nadmiaru cyny spomiędzy wyprowadzeń złącza. Należy przy tym uważać, by nie uszkodzić termicznie tego elementu. Następnie lutujemy pozostałe elementy półprzewodnikowe, potem rezystory i kondensatory oraz inne elementy bierne a na końcu microswitch SET oraz gniazda USB_HOST i USB_DEVICE. Z uwagi na zagęszczenie wyprowadzeń układów scalonych przed pierwszym podłączeniem układu do zasilania należy jeszcze raz sprawdzić jakość wykonanych połączeń, by nie dopuścić do ewentualnych zwarć. Wspomniana kontrola będzie znacznie łatwiejsza, jeśli zmontowaną płytkę przemyjemy alkoholem izopropylowym w celu wypłukania nadmiaru kalafonii lutowniczej. Na samym końcu, do tak przygotowanej płytki, montujemy wyświetlacz OLED, zwyczajnie lutując jego wyprowadzenia w przeznaczone do tego celu pola lutownicze (należy sprawdzić polaryzację zasilania), gdyż połączenia te zapewniają mu jednocześnie wystarczający montaż mechaniczny. Poprawnie zmontowany układ powinien działać tuż po włączeniu zasilania.
Na rysunku 5 pokazano zmontowane urządzenie przed przylutowaniem wyświetlacza OLED.
Wygląd graficznego interfejsu użytkownika pokazano na rysunku 6. Wartość napięcia źródła zasilania (w tym przypadku portu USB), prąd i moc pobierane przez podłączone urządzenie USB oraz energia elektryczna przekazana do urządzenia są pokazywane na wyświetlaczu. Wszystkie wartości są odświeżane 5 razy na sekundę. Dodatkowo, w naszym urządzeniu zamontowano przycisk SET, który ma dwojakie zastosowanie. Jego krótkie przyciśnięcie powoduje każdorazowe obrócenie wyświetlanych danych o kąt 180˚, co może być użyteczne w wypadku różnego położenia złącza USB, do którego dołączamy monitor. Długie przyciśnięcie przycisku powoduje wyzerowanie licznika energii przekazanej do odbiornika.
Robert Wołgajew, EP
- R1: 10 mΩ/500 mW/1% (pomiarowy w obudowie SMD1206)
- R2, R3: 4,7 kΩ (SMD 0805)
- C1…C3: 100 nF (SMD 0805)
- U1: ATtiny44 (SOIC14)
- U2: INA226A (MSOP-10)
- OLED: wyświetlacz OLED 128×32 piksele, 0,91”, sterownik SSD1306, I2C, wymiary 38 mm×12 mm
- SET: mikroprzełącznik SMD typu Omron B3U-3000PM
- USB_DEVICE: gniazdo żeńskie USB-A typu MOLEX 67643-0910
- USB_HOST: gniazdo męskie USB-A typu MOLEX 48037-0001
