用于動態(tài)功耗檢測的功耗分析儀研制

李毅堂 李坡 施鑫 路遙

【摘 ?要】目前市場上的戶用熱量表多使用內(nèi)置電池供電，熱量表國家標準GB/T 32224-2015中要求內(nèi)置電池的使用壽命應大于（5+1）年。而目前現(xiàn)有的主要功耗檢測方法對于動態(tài)變化的熱量表功耗并不完全適用。本文研制了一臺可以檢測動態(tài)功耗，具備高存儲深度的功耗分析儀。此設備雖基于熱量表進行研制，但也可適用于其他低功耗儀表功耗的動態(tài)檢測。

【關鍵詞】熱量表;動態(tài)功耗檢測;存儲深度

1.引言

熱量表作為供熱計量的重要環(huán)節(jié)之一，被廣泛應用于我國的集中供熱系統(tǒng)中。目前市場上的小口徑戶用熱量表多采用內(nèi)置電池供電，熱量表國家標準GB/T 32224-2015中要求內(nèi)置電池的使用壽命應大于（5+1）年[1]，熱量表使用單位對此項指標尤其重視，通常會要求更長的使用壽命，一般不低于8年，有的甚至10年。熱量表國標中對電池壽命和功耗的檢測方法進行了規(guī)定，但是描述比較簡略，且由于熱量表功耗是快速動態(tài)變化的，傳統(tǒng)的功耗測試方法并不完全適用，因此需要研制一套針對動態(tài)變化功耗的測試設備，以便更加合理有效的評價該項指標。

2.熱量表功耗的特點

熱量表目前較為普遍的工作方式，是周期性的采集流量傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，采集周期數(shù)秒至數(shù)分鐘不等，每次采集只持續(xù)幾十毫秒的時間，在兩次采集之間，熱量表處于待機狀態(tài)，功耗極低。

對熱量表的工作方式分析，可以得出以下三個主要特點：

1.工作電流范圍大，采集數(shù)據(jù)時的瞬時電流可以達到數(shù)百微安至數(shù)毫安，而待機狀態(tài)的工作電流通常不超過10uA，最大值與最小值之間相差超過1000倍;

2.時間跨度大，流量采集周期一般為數(shù)秒，溫度采集周期一般數(shù)十秒，而每次采集只持續(xù)幾十毫秒，想要觀察熱量表完整的工作電流變化情況，一方面需要足夠的工作電流檢測速率，另一方面需要足夠的連續(xù)采集時間，因此對檢測設備的存儲深度有很高的要求;

3.工作電流不斷在采集狀態(tài)和待機狀態(tài)之間變化。

3.功耗分析儀設計

功耗分析儀整體設計采用電流采集設備與電腦軟件相配合的方式實現(xiàn)。電流采集設備即分析儀主機，實現(xiàn)電流信號的調(diào)理，采集，上傳功能;PC機軟件實現(xiàn)電流波形的顯示，分析，平均電流的計算等功能;主機與PC機通過USB口進行數(shù)據(jù)通信。

3.1 硬件設計

功耗分析儀主機硬件結構如圖1所示。

為保證量程1uA端的精度，本設計的電源采用了鋰電池供電，以降低市電引入的噪聲。鋰電池選用三星的可充電鋰電池ICR18650-26F，搭配TI的鋰離子電池充電和電源路徑管理芯片BQ24072[2]，及MITSUMI的鋰電池保護芯片MM3280，共同完成電池供電，電池充電及電源路徑管理功能。

BQ24072電路如圖2所示。輸入電流限值通過設置EN1=0，EN2=1，即通過ILIM引腳與VSS引腳間電阻進行設置。本文中R13選取1.1kΩ，則輸入電流限值IINMAX=KILIM/RILIM=1610AΩ/1.1kΩ=1.5A，與外部充電器規(guī)格匹配。

電池充電電流由ISET引腳與VSS引腳之間的電阻值決定。鋰電池ICR18650-26F電容量2600mAh，標準充電電流1300mA，本文中RISET由兩個電阻并聯(lián)，阻值分別為1kΩ和2kΩ，等效阻值約667Ω，則ICHG=KISET/RISET=890AΩ/667Ω=1.3A，滿足鋰電池要求。

MM3280為鋰電池保護芯片，主要提供過充電和過放電保護，以及放電過電流和充電過電壓保護功能。

信號調(diào)理電路在差分輸入端首先設置了10mA自恢復保險絲GBX010，提供過流保護。在采樣電阻與ADC之間，采用2個1k電阻，2個33nF電容和1個100nF的電容組成RFI濾波器，從而降低噪聲對ADC采集的影響。

ADC轉換電路中，電流經(jīng)10歐姆（0.1%，25ppm）電阻采樣轉換為電壓，以差分方式連接至AD7193[3]的差分測量輸入;電流滿量程規(guī)定為5mA，按照6mA進行設計，則ADC輸入最大電壓為60mV，通過ADC的PGA放大32倍，達到1.92V，包含在（-2.048，2.048）的ADC測量量程內(nèi)，同時留有余量保證Σ-Δ ADC不易受干擾導致飽和。AD7193以1KHz的速率采樣并輸出數(shù)據(jù)，參考電壓4.096V，由ADR392產(chǎn)生。MCU通過SPI口讀取采樣值，轉換為電流值，實時發(fā)送給上位機。

功耗分析儀與上位機采用USB接口通訊。USB接口采用USB轉串口的形式，通過轉換芯片CH340，將USB協(xié)議轉換為串口協(xié)議，然后通過磁耦ADuM3211隔離，保護功耗分析儀內(nèi)部電路免受PC端高電壓的破壞。USB入口處設置保護芯片PRTR5V0U2AX，對USB接口信號線提供靜電保護。

MCU選用Cortex-M3內(nèi)核的LPC1754，本文使用了timer、看門狗、IO、UART等資源。使用FM25L16作為掉電存儲器，保存配置參數(shù);MCU使用12.288MHz外部有源石英晶振，以生成從IO口給AD7193提供標準的4.096MHz時鐘，以實現(xiàn)1KHz的采樣速率。

3.2 軟件設計

軟件部分包括功耗分析儀主機中的固件程序，以及電腦上位機中的系統(tǒng)程序。

固件程序只有采集數(shù)據(jù)和發(fā)送兩個任務，采集任務在定時器中斷中進行，發(fā)送任務在主程序中進行，電流采集流程如圖3所示。

功耗分析儀系統(tǒng)軟件可以實時獲得功耗分析儀中采集的電流值，點擊開始通訊按鈕，電流值可以實時顯示于操作界面上，并實時計算當前屏上的電流最大值，最小值和平均值。軟件可以對感興趣的電流數(shù)據(jù)區(qū)域進行選擇，縮放，并計算區(qū)域內(nèi)的相關數(shù)據(jù)。軟件可以將當前屏中的電流數(shù)據(jù)保存，在需要的時候進行回放，回放界面也支持相應的數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)操作界面如圖4所示。

4 結論與改進

本文所研制的功耗分析儀，電流測量范圍達到1uA～5mA，采樣頻率1kHz，電流采集精度0.2%rdg.+5dgt.，分辨率0.1uA，可不間斷采集，數(shù)據(jù)存儲深度高?？梢钥闯?，本文根據(jù)第2節(jié)列舉的熱量表功耗的特點，針對測量范圍大，存儲深度高，測量頻率快的需求進行了針對性的設計，可以很好的適用于熱量表以及其他低功耗儀器儀表的功耗檢測。近些年市場上出現(xiàn)了一些插卡式的帶閥門功能的熱量表或水表，因為其內(nèi)部電機的瞬時電流峰值很高且易產(chǎn)生強噪聲等原因，目前的功耗分析儀還不能很好的適用，需要未來有針對性的進行硬件設計改進，以期對低功耗儀表檢測功能更加完善。

參考文獻：

[1] 熱量表，GB/T 32224-2015

[2] bq2407x 1.5-A USB-Friendly Li-Ion Battery Charger and Power-Path Management IC，http：//www.ti.com.cn/

[3] 4-Channel 4.8 kHz Ultralow Noise 24-Bit Sigma-Delta ADC with PGA，www.analog.com

（作者單位：天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院）