CN210534231U

CN210534231U - 一种用于动态功耗检测的采集装置

Info

Publication number: CN210534231U
Application number: CN201920949337.5U
Authority: CN
Inventors: 施鑫; 李毅堂; 李坡; 路遥
Original assignee: Tianjin Institute Of Metrological Supervision And Testing
Current assignee: Tianjin Institute Of Metrological Supervision And Testing
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2029-06-24

Abstract

本实用新型属于功耗检测技术领域，涉及功耗分析装置，尤其是一种用于动态功耗检测的采集装置，包括电源管理电路、信号调理电路、ADC、MCU、串口电路、USB接口电路和上位机，所述电源管理电路为分析仪整体的负载进行供电；信号调理电路采集待测电流并将采集的电流信号进行调理，信号调理电路的信号输出端连接ADC；ADC将信号进行放大,并将电信号转换为数字信号，其信号输出端连接MCU；MCU读取采样值，转换为电流值经串口电路或USB接口电路实时发送至上位机。

Description

一种用于动态功耗检测的采集装置

技术领域

本实用新型属于功耗检测技术领域，涉及功耗分析装置，尤其是一种用于动态功耗检测的采集装置。

背景技术

本专利主要针对热量表的功耗检测而开发，但是对类似的低功耗且功耗动态变化的仪表同样适用。由于该类设备主要使用电池进行供电，而电池的输出电压的基本恒定的，因此功耗一般使用工作电流来进行表征。

从热量表的工作方式可以看出，热量表的功耗有以下三个主要特点：

1.工作电流范围大，采集数据时的瞬时电流可以达到数百微安至数毫安，而待机状态的工作电流通常不超过10uA，最大值与最小值之间相差超过1000倍；

2.时间跨度大，流量采集周期一般为数秒，温度采集周期相对要长一些，一般数十秒，而每次采集只有几十毫秒，想要观察热量表完整的工作电流变化情况，一方面需要足够的工作电流检测速率，另一方面需要足够的连续采集时间，因此对检测设备的存储深度有很高的要求；

3.工作电流不断在采集状态和待机状态之间变化。

目前各个企业和检测机构都会对热量表的整机微功耗进行检测，使用的主要是将各种检测设备串接到工作回路中来测量工作电流的方法。

主要的检测设备有以下几种：

1.使用示波器进行检测

由于示波器的采集频率很高，因此采用这种方法可以检测出热量表功耗的动态变化过程的全部细节。但是因为采样频率高，所以示波器的存储深度一般较小，而热量表的测量采集周期可能达到数十秒，所以采用这种方法虽然能够看到动态变化细节，但是无法在较长的时间跨度上宏观的进行观察。另外，为了不影响电路板的正常工作，采样电阻一般阻值很小，而电路中的电流值一般也在mA或uA级，导致示波器采集的电压信号非常微弱，易受噪声干扰，检测精度难以满足要求。

2.使用直流电源分析仪进行检测

直流电源分析仪是电源测试的专业设备，具备测量精度高，采样频率高，数据存储量大的优点。以是德科技的N6705C为例，配合SMU模块，安培计精度高达0.025％+8nA，配合电脑软件支持示波器功能，采样频率200kHz，存储深度512kpts，数据记录仪测量间隔从20μs 至60s可调，每个数据记录最多存储5亿个读数。但是，直流电源分析仪的价格十分昂贵，一般都超过10万元。

3.使用电流钳进行检测

电流钳可接示波器或电脑，信号采集结果表达形式灵活，可满足读数和采样周期频率的要求。而且采用这种方式，电流钳是套接在电路上的，不需要串联到电路中，对被测电路的影响相对较小。其缺点是使用电流钳更适合测量大电流，测量微小电流的精度难以满足要求。

4.使用数字万用表进行检测

目前使用较多的是6 1/2位数字万用表，以是德的34465A为例，其电流测量在10mA档精度指标可达±(0.007％读数+0.020％量程),最大读数速率5000读数/s，存储器50000读数/s。为 0.010％+0.020uA，其非易失性数据记录仪可存储50000个读数。可以看出，数字多用表的测量精度很高，但是它更适合测量恒定电流，而对于动态变化的电流适应性不佳。因此，这种方式更适合制造企业，可以通过热量表内部程序控制，使热量表始终处于某种工作状态下(如持续进行流量测量)，再使用数字万用表精确测量瞬时功耗，对于检测机构则难以使用此种方式。

综上所述，各种方式都有自己的利弊，示波器便于看到波形的发展趋势，其采样频率远远高于其他设备，然而其存储深度和测量精度欠佳；直流电源分析仪的采样频率与精度都表现最佳，但其价格高昂；使用电流钳可将对电路的影响降到最低，然而其测量精度欠佳；6 1/2 位数字万用表则在精度上有优势，但动态性能不足。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电流采集范围大，在全范围内拥有高的采集精度，可以进行长时间连续采集，电流采集的采样速率高的用于动态功耗检测的功耗分析仪。

本实用新型采取的技术方案是：

一种用于动态功耗检测的采集装置，其特征在于：包括电源管理电路、信号调理电路、 ADC、MCU、串口电路、USB接口电路和上位机，所述电源管理电路为分析仪整体的负载进行供电；信号调理电路采集待测电流并将采集的电流信号进行调理，信号调理电路的信号输出端连接ADC；ADC将信号进行放大,并将电信号转换为数字信号，其信号输出端连接MCU；MCU 读取采样值，转换为电流值经串口电路或USB接口电路实时发送至上位机。

而且，所述电源管理电路包括锂离子电池充电和电源路径管理芯片，及锂电池保护芯片，外部220V交流电用于对锂电池进行充电，锂电池为分析仪整体负载进行供电，并提供DC5V 和DC3.3V的电源。

而且，所述信号调理电路包括在差分输入端设置的10mA自恢复保险丝GBX010，在采样电阻与ADC之间，采用2个1k电阻，2个33nF电容和1个100nF的电容组成RFI滤波器。

而且，所述ADC通过ADC的可编程放大器将输入电压进行放大，放大后的电压值位于AD 测量量程内,ADC以1KHz的速率采样并输出数据。

而且，所述MCU采用LPC1754U17，LPC1754U17采用了Cortex-M3微处理器，该微控制器的外设组件包含128KB的Flash存储器、32KB的数据存储器。

而且，所述串口电路，USB接口电路和上位机之间通过通讯隔离单元相连接，所述通信隔离单元采用磁耦芯片，用于将功耗分析仪和上位机的高电压形成磁耦隔离。

本实用新型的优点和积极效果是：

本功耗分析仪中，电源管理电路、信号调理电路、ADC、MCU、串口电路、USB接口电路和上位机形成一套检测装置，电流采集范围达到1uA～5mA，检测精度±0.2％rdg.+5dgt.；其存储深度仅受限于上位机电脑的存储空间，可以进行长时间连续采集；电流采集的采样速率高，可以复现电流变化的动态过程。

本实用新型中，电源管理电路用于完成锂电池供电、锂电池充电以及电源路径的管理功能；信号调理电路用于提高采样信号的共模和差模抑制比，从而降低噪音对ADC采集的影响； ADC通过可编程增益放大器实现全部电流范围的精确采集，采集精度高；ADC以1KHz的速率采样并输出数据采样速率高，可以复现电流变化的动态过程；串口电路和USB接口电路用于向上位机发送采集的数据。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为电池管理电路部分的管脚连接图；

图3为信号调理电路和ADC部分的管脚连接图；

图4为MCU部分的管脚连接图；

图5为USB接口电路部分的管脚连接图；

图6为串口电路部分的管脚连接图；

图7为数据发送任务的流程图；

图8为数据采集任务的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本实用新型的保护范围。

一种用于动态功耗检测的采集装置，本实用新型的创新在于，包括电源管理电路、信号调理电路、ADC、MCU、串口电路、USB接口电路和上位机，所述电源管理电路为分析仪整体的负载进行供电；信号调理电路采集待测电流并将采集的电流信号进行调理，信号调理电路的信号输出端连接ADC；ADC将信号进行放大,并将电信号转换为数字信号，其信号输出端连接MCU；MCU读取采样值，转换为电流值经串口电路或USB接口电路实时发送至上位机。

本实施例中，所述电源管理电路包括TI的锂离子电池充电和电源路径管理芯片BQ24072(U6)，及MITSUMI的锂电池保护芯片MM3280(U10)，外部220V交流电用于对锂电池进行充电，锂电池为分析仪整体负载进行供电，并提供DC5V和DC3.3V的电源。

BQ24072为应用于USB的1.5A锂离子电池充电和电源路径管理芯片，由该芯片完成电源路径管理功能，包括如下三种工作状态。

当USB电源接通，正常情况下电源给负载供电，同时给电池充电；如果电源能力不足以提供EN1/EN2/ILIM设置的最大输入电流，那么削减充电电流，优先满足负载，如果负载和充电流量之和超过了最大输入电流，也削减充电电流，优先满足负载；如果充电电流削减到0，还不能满足负载，那么电池也将为负载供电。同时该芯片还提供28V输入电压保护及输出短路保护功能。

输入电流限值设置为EN1＝0，EN2＝1，ILIM引脚与VSS引脚间电阻R13选取1.1kΩ，则输入电流限值I_INMAX＝K_ILIM/R_ILIM＝1610AΩ/1.1kΩ＝1.5A，与外部充电器规格匹配。电池充电电流由ISET引脚与VSS引脚之间的电阻值决定。锂电池ICR18650-26F电容量2600mAh，标准充电电流1300mA，RISET由R2和R5两个电阻并联，阻值分别为1kΩ和2kΩ，等效阻值约667 Ω，则I_CHG＝K_ISET/R_ISET＝890AΩ/667Ω＝1.3A，满足锂电池要求。

MM3280为锂电池保护芯片，主要提供过充电和过放电保护，以及放电过电流和充电过电压保护功能。

本实施例中，所述信号调理电路包括在差分输入端首先设置了10mA自恢复保险丝GBX01 0，提供过流保护功能。在采样电阻与ADC之间，采用2个1k电阻，2个33nF电容和1个100nF的电容组成RFI滤波器，同时提高采样信号的共模和差模抑制比，从而降低噪声对ADC采集的影响。偏置电压由4.096V参考电压经二分压和电压跟随器生成，接至采样信号负端。

本实施例中，ADC采用24位ADC,在使用过程中需将功耗分析仪串联在被测热量表的电流回路中，在分析仪内部，电流经10欧姆(0.1％,25ppm)电阻采样，采样电阻两端电压以差分方式连接至AD7193(U20)的一路差分测量输入；根据设计要求，电流满量程为5mA，按照6mA进行设计，则ADC输入最大电压为60mV,通过ADC的可编程增益放大器放大32倍，达到1.92V 左右，落在(-2.048,2.048)的AD测量量程内，同时留有一定余量也能保证sigma-delta ADC 不容易受干扰导致饱和。AD7193以1KHz的速率采样并输出数据,参考电压4.096V，由ADR39 2(U16)产生。MCU通过SPI口读取采样值，然后转换为电流值，实时发送给上位机。

本实施例中，所述MCU采用LPC1754U17，LPC1754U17采用了Cortex-M3微处理器，该微控制器的外设组件包含128KB的Flash存储器、32KB的数据存储器，本项目中只用到了timer、看门狗、IO、UART等资源。

使用FM25L16(U19)作为掉电存储器，保存配置参数；MCU使用12.288MHz外部有源石英晶振，这个频率是为了从IO口给AD7193(U20)提供标准的4.096MHz时钟，以实现1KHz的采样速率；复位芯片选择SP809(U18)；引出ISP接口和JTAG接口用于程序下载和调试。

本实施例中，所述串口电路，USB接口电路和上位机之间为避免从通讯电缆引入干扰，功耗分析仪在通讯部分采用了隔离设计。

当采用USB通讯时，先通过U2隔离电源芯片IF0505S(U2)，产生隔离5V电源，当采用R S232通讯时，使用RS232总线自带的5V电源作为隔离5V电源，然后通过5V转3.3V的LDO 芯片HT7333(U1)转换为3.3V隔离电源。USB接口采用USB转串口的形式，通过转换芯片CH3 40(U9)，将USB协议转换为串口协议，然后通过磁耦ADuM3211(U8)隔离，保护功耗分析仪内部电路免受PC端高电压的破坏。U11为静电保护芯片PRTR5V0U2AX，对USB接口信号线提供静电保护。RS232接口采用串口芯片SP3232(U3)，将RS232信号进行电平转换，然后通过磁耦ADuM3211(U4)隔离，保护功耗分析仪内部电路免受PC端高电压的破坏。

本实用新型的使用过程是：

包括采集数据和数据发送两个任务，数据采集任务在定时器中断中进行，数据发送在主程序中进行；

所述数据发送任务包括如下步骤：

步骤1：将MCU进行初始化；

步骤2：检测1ms标志是否有效，若有效则执行通信任务，ADC超时定时累加；若无效则执行步骤3；

步骤3：检测1s标志是否有效，若有效则对定时器清零；若无效则调整至待机状态；

上述数据发送任务中的步骤2中包含数据采集任务，所述数据采集任务的程序包括两个 buffer，一个用于保存采集数据，另一个用于串口发送buffer，两个buffer乒乓操作，每 100个数据进行一次切换，所述数据采集任务包括如下步骤：

步骤A：存储指正指向BUF1，发送指针指向BUF1，发送标志置0；

步骤B：读取AD结果，最近1-20个AD原始值滑动滤波，降低工频干扰；

步骤C：滤波结果转换为未校准电流；

步骤D：对电流值进行零点和增益修正；

步骤E：电流值存入要保存的数组；

步骤F：检查存储个数是否达到100组，若未达到则执行步骤B；若达到则执行步骤G；

步骤G：当前是否存储指针指向BUF1，若是则存储指针指向BUF2，发送指针指向BUF1，并执行步骤H；若否则则存储指针指向BUF1，发送指针指向BUF2，并执行步骤H；

步骤H：将发送标志置为有效。

Claims

1.一种用于动态功耗检测的采集装置，其特征在于：包括电源管理电路、信号调理电路、ADC、MCU、串口电路、USB接口电路和上位机，所述电源管理电路为分析仪整体的负载进行供电；信号调理电路采集待测电流并将采集的电流信号进行调理，信号调理电路的信号输出端连接ADC；ADC将信号进行放大,并将电信号转换为数字信号，其信号输出端连接MCU；MCU读取采样值，转换为电流值经串口电路或USB接口电路实时发送至上位机。

2.根据权利要求1所述的一种用于动态功耗检测的采集装置，其特征在于：所述电源管理电路包括锂离子电池充电和电源路径管理芯片，及锂电池保护芯片，外部220V交流电用于对锂电池进行充电，锂电池为分析仪整体负载进行供电，并提供DC5V和DC3.3V的电源。

3.根据权利要求1所述的一种用于动态功耗检测的采集装置，其特征在于：所述信号调理电路包括在差分输入端设置的10mA自恢复保险丝GBX010，在采样电阻与ADC之间，采用2个1k电阻，2个33nF电容和1个100nF的电容组成RFI滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种用于动态功耗检测的采集装置，其特征在于：所述ADC通过ADC的可编程放大器将输入电压进行放大，放大后的电压值位于AD测量量程内,ADC以1KHz的速率采样并输出数据。

5.根据权利要求1所述的一种用于动态功耗检测的采集装置，其特征在于：所述MCU采用LPC1754U17，LPC1754U17采用了Cortex-M3微处理器，该微控制器的外设组件包含128KB的Flash存储器、32KB的数据存储器。

6.根据权利要求1所述的一种用于动态功耗检测的采集装置，其特征在于：所述串口电路，USB接口电路和上位机之间通过通讯隔离单元相连接，所述通讯隔离单元采用磁耦芯片，用于将功耗分析仪和上位机的高电压形成磁耦隔离。