24 битный ацп ардуино

Содержание

Как корректно работать с АЦП ADS1220 на Ардуино

Иногда нужны точные аналого-цифровые преобразования (АЦП) на Ардуино. Например, для регистрации ЭЭГ, ЭКГ и других малых сигналов. Возможным решением может послужить модуль АЦП ADS1220.
Во-первых, ADS1220 имеет точность в 24 бит в отличии от 10 бит в Ардуино. Во-вторых, этот АЦП модуль довольно доступен и не дорог. Модули с ADS1220 выпускаются множеством производителей, но в данной статье рассматривается CJMCU, он является самой дешёвый версией (работа с другими не отличается).

Поставщика данного модуля можно узнать здесь

Микросхема АЦП ADS1220

Микросхема ADS1220 является прецизионным 24-битным аналого-цифровым преобразователем, который имеет 4 однополюсных канала или 2 дифференциальных входа. Также он имеет малошумящий программируемый усилитель, благодаря которому можно осуществить контролируемое оконечное усиление.
Кроме того, он дает два режима преобразования: непрерывное и одиночное.
Основные особенности ADS1220:

4 однополярных (или 2 дифференциальных) аналоговых входа
24 битное разрешение (20 битное эффективное разрешение)
Низкое энергопотребление и широкий диапазон напряжений питания
Программируемый коэффициент усиления и частоты выборки
Встроенный цифровой фильтр подавления помех 50 и 60 Гц
Стабильные источник опорного напряжения и тактовый генератор
Программируемые источники тока
Встроенный датчик температуры
SPI интерфейс
Малогабаритный VQFN корпус для поверхностного монтажа.

Структура показана на рисунке

Структура ADS1220

Модуль CJMCU ADS1220

Внешний вид модуля

Схема модуля ADS1220 от CJMCU и Protocentral

На рисунке показана схема от Protocentral, а модуль от CJMCU отличается только номиналом резисторов SPI интерфейса 24 Ом.

Подключение модуля ADS1220 к Ардуино

Для подключения к Ардуино нужно определить выводы, задействованные под SPI интерфейс. У Arduino UNO это D11, D12, D13, а в Arduino ProMicro (в моем случае) — D15, D14, D16.
Главное нужно найти выводы, связанные с контактами MOSI, MISO, SCK.
Также нужно выделить два свободных контакта ввода/вывода для управлением разрешения работы (CS) и приема сигнала о готовности данных (DRDY). Причем, DRDY лучше по возможности подключать к выводу с поддержкой прерывания. Обычно это D1, D2.
Вариант подключения выводов модуля ADS1220 к Ардуино (двух моделей) показано в таблице.

Модуль ADS1220	Arduino UNO	Arduino ProMicros
DRDY	D2	D2
MISO	D12	D14
MOSI	D11	D16
SCLK	D13	D15
CS	D7	D7
CLK	—	—
DVDD	5V	5V
DGND	GND	GND

Соединение модуля к разным моделям Ардуино

Как установить библиотеку Ардуино ADS1220 модуля

Для ADS1220 не так уж много вариантов и самый доступный — библиотека от Protocentral. Она доступна из меню Скетч -> Подключить библиотеку -> Управление библиотеками, ввести в поиск ADS1220 и выбрать ProtoСentral ADS1220 24-bit ADS Library. Последнюю на данный момент версию 1.1.2 можно получить на GitHub
Забегая вперед, надо отметить, что она (версия 1.1.2) видимо написана в спешке и не лишена ошибок. Однако, это все же лучше, чем ничего и надеюсь данная информация дойдет до сотрудников ProtoСentral и библиотеку исправят.
Кстати, известна еще одна Ардуино библиотека для ADS1220. Работа с ней несколько сложнее, чем с версией от Protocentral и взглянув на её исходный код, заметил наличие тех же недочетов, хоть и в меньшей мере.
Но вначале нужно определить последовательность использования библиотеки.

Использование библиотеки ProtoСentral ADS1220 24-bit ADS Library

Для использования нужно осуществить следующие действия в коде:

1. Подключение библиотеки

2. Выделить представителя класса Protocentral_ADS1220

3. В функции setup() произвести инициализацию АЦП

Здесь ADC_CS_pin — номер вывода Ардуино к которому подключен CS вход АЦП, ADC_DRDY_pin — номер вывода Ардуино к которому подключен выход DRDY АЦП.

В результате будут устанослены следующие настройки по умолчанию:

Входной мультиплексор работает в дифференциальном режиме, подавая AIN0 на положительный вход, а AIN1 на отрицательный (инвертирующий) вход усилителя.
Усилитель PGA включен
Коэффициент усиления PGA равно 1
Частота преобразования АЦП 20 Гц
Режим АЦП нормальный
Режим преобразования непрерывный
Температурный датчик выключен
Источники тока смещения (burnout) выключены
Генератор опорного напряжения встроенный 2.048 В
Цифровой фильтр на подавление 50 и 60 Гц
Выключатель питания (Low-Side Power Switch) открыт
Источник тока возбуждения выключен
Переключатели тока возбуждения отключены
Режим режима готовности данных — использование только выхода DRDY

4. Затем можно изменить настройки по своему желанию:

5. Дальнейшие команды зависят от выбранных режимов

Это режимы преобразования (непрерывного и одиночного преобразования) и настройки мультиплексора (однополярный и дифференциальный).
В итоге получаются четыре возможных конфигураций:

Постоянное преобразование однополярного сигнала
Постоянное преобразование дифференциального сигнала
Одиночное преобразование однополярного сигнала
Одиночное преобразование дифференциального сигнала

Библиотека от Protocentral дает 4 метода для чтения данных:
Read_WaitForData() — проверяет (не ждет!) установку сигнала готовности на выводе DRDY до чтения регистров данных. Если данные не готовы возвратит 0. Его можно применять со всеми конфигурациями.
Read_SingleShot_WaitForData() — перед чтением посылает команду на начало преобразования. После этого сразу проверяет готовность данных и если не готово — результат будет 0. Применяется для одиночного преобразования, т.к. после преобразования АЦП засыпает.
Read_SingleShot_SingleEnded_WaitForData(channel) — в этом режиме мультиплексор переключается на выбранный вход (channel), ждет 100 мс затем производит преобразование, ждет 100 мс и если данные готовы считывает регистр данных иначе возвратит 0. Применяется для одиночного преобразования однополярного сигнала.
Read_Data_Samples() — сразу читает данные из регистра без проверки готовности. Применяется в режиме аппаратного прерывания по сигналу DRDY.

Также можно использовать второстепенные функции:

ads1220_Reset() — сброс АЦП
Start_Conv() — запуск преобразования
select_mux_channels(channel) — выбор требуемого канала мультиплексора. Есть следующие варианты:
дифференциальные комбинации
MUX_AIN0_AIN1
MUX_AIN0_AIN2
MUX_AIN0_AIN3
MUX_AIN1_AIN2
MUX_AIN1_AIN3
MUX_AIN2_AIN3
MUX_AIN1_AIN0
MUX_AIN3_AIN2

однополярные каналы
MUX_SE_CH0
MUX_SE_CH1
MUX_SE_CH2
MUX_SE_CH3
MUX_AIN0_AVSS
MUX_AIN1_AVSS
MUX_AIN2_AVSS
MUX_AIN3_AVSS
Start_Conv() — Для запуска АЦП вручную. Данная функция должна быть выполнена для запуска непрерывного преобразования или каждый раз запускаться до чтения данных в случае одиночного преобразования. Эта команда автоматически исполняется в функциях Read_SingleShot_WaitForData() и Read_SingleShot_SingleEnded_WaitForData(channel).

Проблемы в библиотеке Protocentral ADS1220

К сожалению, данной библиотекой в исходном виде (актуально для версии 1.1.2 и ниже) нельзя полноценно воспользоваться для регистрации сигналов!
Из публикаций в сети Интернет можно встретить лишь упоминания об ошибках в примерах поздней версии 1.1.1 библиотеки. Были неточности в вычислении напряжения и дублирование кода. В частности: во втором примере из библиотеки версии 1.1.1 производился некорректный расчет напряжения, т.к. в расчетах использовался коэффициент усиления 1, а в коде задавался 32. Нужно просто корректно задать коэффициент усиления #define PGA 32 и все.
Этот пример потом вовсе убрали из библиотеки, заменив на пример использования прерывания.

Но главная проблема находится в таймингах организации управления АЦП.

Общий алгоритм работы АЦП состоит в следующих действиях:

Выбор канала мультиплексором
Отдача команды начала преобразования
Ожидание окончания АЦП
Чтение данных

Произведя профилирование кода на каждой операции для частоты АЦП 20 Гц в однополярном режиме, были получены следующие результаты: выбор канала 10 мс, старт АЦП 8 мс, АЦП 58 мс, чтение 1 мс. Итого — 67 мс на измерение одного канала, что дает частоту дискретизации не более 15 Гц! Т.е. с такой задержкой можно зарегистрировать сигнал с частотой не более 7.5 Гц!
Увеличив частоту АЦП до 1000 Гц, задержка снизилась до 18 мс, однако это все равно не решает проблему — максимальная частота получалась всего 56 Гц, что далеко от заданного 1 кГц.
Поэтому слепо использовав функции библиотеки будет получен некорректно искаженный сигнал.
Если заглянуть в исходный код библиотеки станут ясны причины проблем в основных функциях:

1. В функции смены канала используется базовая команда записи в регистр writeRegister()

Здесь и находится первая причина задержки — два delay() по 5 мс. Они в сумме дают 10 мс жесткой задержки, что уже снижает максимальную частоту дискретизации до 100 Гц. Однако, требуемые тайминги в спецификации к ADS1220 не превышают 150 нс.

2. Вторая серия проблем в функции Read_WaitForData()

Во-первых, здесь нет ожидания окончания окончания АЦП, а только проверка через if((digitalRead(m_drdy_pin)) == LOW).
То есть если АЦП не успеет к этому времени закончиться, то результата просто не будет. С теми задержками проблема была не видна, но если их снизить — будут вылезать 0 в результатах. Поэтому нужно эту функцию постоянно вызывать для ожидания и при 0 ничего не делать или ждать сигнал DRDY до вызова.
Затем стоят два delayMicroseconds(100) — дающие добавку в 0.2 мс к общей задержке.

3. Такие же завышенные тайминги и отсутствие реального ожидания DRDY можно встретить в функциях Read_Data_Samples(), Read_SingleShot_WaitForData(), Read_SingleShot_SingleEnded_WaitForData().

4. В функции Read_SingleShot_WaitForData() присутствует потенциальная проблема.

Происходит запуск АЦП Start_Conv() и затем без всякого ожидания проверка на завершение операции. Поэтому тут остается только надеяться, что АЦП успеет произвестись, иначе сбой с выдачей 0.

5. В функции Read_SingleShot_SingleEnded_WaitForData() ситуация обратная.

После вызова переключения канала select_mux_channels() и после запуска АЦП Start_Conv() стоят 100 мс задержки. Это конечно даст уверенное получение сигнала готовности к моменту его проверки, но задержка получается самая большая 10 см (выбор канала) + 100 мс (задержка после выбора канала) + 100 мс (задержка после запуска АЦП) + 100 мкс (до получения данных) + 100 мкс (после получения данных) = 210.2 мс на один канал(. ) Что дает частоту дискретизацию максимально 4.8 Гц, а в случае 4 канального преобразования частота дискретизации падает до примерно 1 Гц и о регистрации большинства сигналов можно забыть.

Решение проблемы библиотеки Ардуино от ProtoСentral

Все описанные проблемы были исправлены в исходном коде библиотеки Protocentral_ADS1220.

снижены тайминги записи регистра АЦП
снижены тайминги функций чтения данных
заменен алгоритм проверки сигнала готовности на полноценное ожидание в тех функциях, где это необходимо.
добавлены константы для работы в турбо режиме и режиме рабочего цикла

Теперь задержка после полного цикла коммутации — АЦП — чтения находится в районе 1 мс, что дает возможность получения максимальной частоты дискретизации около 1000 Гц в нормальном режиме. Один канал 1080 мкс, два канала 2336 мс, три канала 3596 мс, четыре канала 4864 мкс.

В турбо режиме на частоте 2000 Гц один канал измеряется за 568 мкс, два канала 1276 мкс, три канала 2020 мкс, четыре канала 2772 мкс.

При одиночных измерениях результаты получаются несколько хуже: нормальный режим 1 канал за 8104 мкс, турбо режим — 604 мкс.

Поэтому для регистрации сигналов предпочтителен непрерывный режим.

Т.е. на одно измерение приходится минимально 0.6 мс, а 4 канала можно оцифровать с частотой до 333 Гц.

Библиотеку можно скачать по ссылке. Установка производится копированием содержимого архива в папку Документы -> Arduino -> library

Рабочий пример использования библиотеки для регистрации 4 каналов с частотой дискретизации 200 Гц.

В плоттере по последовательному соединению можно увидеть результат.

При изменении потенциометров, пропорционально меняются уровни сигналов. Сбоев и других дефектов не обнаружено.

Не забывайте подписаться на группу ВК и канал YouTub, чтобы оперативно узнать об этой разработке!

Источник

Interfacing ADS1232 High Precision 24-Bit ADC with Arduino

ADS1232 24-Bit ADC Module Features

Almost all microcontrollers come with ADC pins, but they lack high precision. In a lot of projects, analog values need to be measured with high accuracy, or the voltage level of the measured signal is not within the microcontroller measurement range, or even the microcontroller used doesn’t have an ADC pin. In such cases, analog to digital converter modules are used.

ADS1232 module is an analog to digital converter module that has 24-bit precision. This module can be used to measure the output value of the Wheatstone Bridge.

To download the datasheet of this module, click here.

ADS1232 Module Datasheet

ADS1232 24-Bit ADC Module Pinout

The ADS1232 ADC Module has 10 pins:

3.3V: Module power supply – 3.3V
5V: Module power supply – 5V
GND: Ground
REFP: Reference Voltage
SCLK: Source Clock for Synchronization
DOUT: Data Transmit Line
POMN: Module Power Control
SPEED: Data Transmit Speed
GAIN1: Gain Selection
GAIN0: Gain Selection
TEMP: Temperature Sensor Selection
A0: First Analog Input
CLKIN: External Clock Input
AINP1: Wheatstone Bridge Input 1
AINP2: Wheatstone Bridge Input 2

You can see the pinout of this module in the image below.