5106 CM5IO 8ADC

关键词

树莓派、CM5核心板、RPiOS、12位ADC、16位ADC、ADS1015、ADS1115、单端输入、差分输入、PGA、比较器、40Pin GPIO

一、简介

CM5IO_8ADC扩展板基于树莓派40Pin GPIO I2C扩展出两颗地址不同的ADC芯片，分为12位ADC版本以及16位ADC版本，工作电压可调，分为3.3V与5V两种电压。预留电压基准芯片，用户可利用电压基准芯片校准ADC测量误差值。每颗ADC芯片包含四路单端输入或两路差分输入，具有比较器和PGA（可编程增益放大器）。模块适用于树莓派4B/树莓派5/CM4IO/CM5IO等平台。

二、硬件资源

1. 采用40Pin GPIO进行扩展；

2. 分12位ADC版本和16位ADC版本；

3. 板载两颗ADC芯片，每颗ADC芯片包含四路单端输入或两路差分输入，即模块实现8通道；

4. 采样速度：12位ADC可达3.3KSPS，16位ADC为860SPS。

5. ADC输入分别用4个3.81mm-3Pin拧接端子；

6. 一个拨码开关，用于调节工作电压，分为3.3V与5V两种电压，工作电压与输入信号范围相关，用户可以根据实际需求进行选择；

7. 尺寸：56*65mm，m2.5定位孔；板材通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0。

三、ADC模块测试

硬件平台：CM5IO_8ADC模块(16位ADC)搭配CM5IO MINI扩展板

软件平台：树莓派OS的版本为2024-11-19-raspios-bookworm-arm64.img.xz，树莓派OS下载地址：

https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

3.1 系统配置

启动系统，打开I2C接口，左上角树莓派标志—Preferences—Raspberry Pi Configuration—Interfaces

如图所示：

然后打开终端，运行下列命令：

sudo nano /boot/firmware/config.txt

在文件末尾加入下列语句：

dtoverlay=i2c0

保存退出并重启。系统启动后，安装i2c检测软件i2c-tools：

sudo apt install i2c-tools

安装完毕后在终端中运行：

i2cdetect -y 0

48和49即为两路ADC的地址。

3.2 下载实例代码

本文档采用Adafruit提供的ADC实例开源代码进行演示，在此对Adafruit表示感谢！

在终端中运行：

sudo apt-get update

git clone https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_ADS1x15.git

cd Adafruit_Python_ADS1x15

然后安装库文件：

sudo pip install adafruit-ads1x15 --break-system-packages

cd examples/

3.3 配置ADC

3.3.1 配置单端输入

以测试ADC1的左侧通道为例。

在example文件夹下运行下列命令：

sudo nano simpletest.py

ADC地址为0x49（即使用接口示意图上的ADC1接口），因此将：

第一处黄框处语句注释掉。

第二处黄框修改为图上所示，ADS1115表示16位ADC芯片（如果是12位ADC版本，这里设置为ADS1015），后面的括号内为ADC地址，0x49代表ADC1。

第三处黄框为增益比设置，在这里我们设置为1，查上表可知，增益比1代表测量范围为-4.096V ～ +4.096V。

配置完成后保存退出。

3.3.2 配置差分输入

以测试ADC1的左侧通道为例。

在example文件夹下运行下列代码：

sudo nano differential.py

配置方法与单端实例一样。

配置完成后保存退出。

3.3.3 配置其它通道

单端与差分都需要配置：

adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115(address=0x49, busnum=0)

address：ADC地址，ADC1为0x49，ADC2为0x48；

busnum：i2c编号，执行ls /dev/i2c*可以查到，一般为0或1。

只有差分需要配置：

value = adc.read_adc_difference(0, gain=GAIN)

括号内的第一个数字，ADC1为0，ADC2为3。

3.4 ADC测试

本次测试实用REF5040和REF5020基准源作为输入信号，REF5040实测4.094V，REF5020实测2.048V。ADC工作电压为5V或3.3V。

单端输入测试：

将提供输入信号源电压的接口的Vout1与ADC1接口的AIN0相连，提供输入信号源电压的接口的GND与ADC1接口的GND相连：

运行：

python simpletest.py

差分输入测试：

将提供输入信号源电压的接口的Vout1与ADC1接口的AIN0相连，提供输入信号源电压的接口的GND与ADC1接口的AIN1相连：

运行：

python differential.py

我们测试的是AIN0，16位ADC，所以可以根据以下公式算出转换后AIN0的电压值：

V_AIN0=(AIN0/(2^16/2))*测量范围

增益比与测量范围的对应关系可以在源码中查到。

如在输入信号源电压为4.094V，工作电压为5V，增益比为1的情况下，单端测试输入结果为32752，则：

V_AIN0=(32752/(2^16/2))*4.096=4.094V

我们做了多种不同情况的测试，列表如下：

编号	输入信号源电压(V)	工作电压(V)	增益比	测试方式	输出结果	输出电压(V)	绝对误差(V)	误差率	测量输出结果
01	4.094	3.3	1	单端	31424	3.928	-0.166	-4.05%	点击查看结果
02	4.094	5	1	单端	32752	4.094	0	0.00%	点击查看结果
03	4.094	3.3	2/3	单端	21056	3.948	-0.146	-3.57%	点击查看结果
04	2.048	5	2	单端	32752	2.047	-0.001	-0.05%	点击查看结果
05	2.048	3.3	1	单端	16384	2.048	0	0.00%	点击查看结果
06	2.048	5	1	单端	16384	2.048	0	0.00%	点击查看结果
07	2.048	3.3	1	差分	16432	2.054	0.006	0.29%	点击查看结果