#第四届立创大赛#多功能功耗分析仪 - 嘉立创EDA开源硬件平台

注：*为必填项。 【请在报名阶段填写 ↓】 *  简要介绍作品：目前市面上测量低功耗动态电流的设备很少，一般用的是专业电流分析仪，然而价格非常贵。本人设计制作的多功能功耗分析仪，以接入试的电流检测方式测量线路的实时电流，同时也可以测当前设备两端的实时电压。性能虽然比不上专业电流分析仪，但是可以满足常用低功耗产品的动态电流测量。本作品可以对当前设备进行瞬时（电流）功耗分析和一段时间内的平均（电流）功耗分析等多种功能，提供良好人机交互界面。 【请在竞赛阶段填写 ↓】 *  一、作品详情； 随着物联网的发展，各种低功耗产品层出不穷，然而测量产品的功耗却是件麻烦事。目前市面上用于分析动态电流的是精度高动态范围高速的专业电流分析仪器，但是贵，买不起。本人设计的多功能功耗分析仪，通过接入式的电流检测方式，将电流信号转换为电压信号。经过一系列信号调理电路和多路高速AD采样电路，MCU将采样得到的动态电流数据实时存入SD卡，同时动态电流的大小可以以曲线的方式实时显示在作品液晶屏上。采样完成后，可以将SD卡中的动态电流数据读出来以曲线的形式显示在屏幕上，并且可以计算任意一个时间段内的平均（电流）功耗。本作品当前采样率为200K，实时动态范围可以达到120dB以上，可以实时测量1uA-1A的动态电流，测量误差在+-5%之内。 *  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题；  1.解决的问题：        成本，价格问题。这是任何一款产品都必须考虑的问题，如果设计出来的产品成本高，价格自然也就贵。在专业领域，更注重性能，也许不会那么在意成本。目前市场上的低功耗产品越来越多，产品的功耗评估却成了一件麻烦事，如果用万用表测量，不准，万用表只能测量平稳的电流，无法测量快速变化且动态范围大的电流。或者使用专业的电流分析仪，然而如此高的价格让许多初创公司望而却步。此多功能功耗分析仪总成本一套约为400元，电子器件量越大就越便宜，后期经过芯片选型优化预计可以降到200元之内。性能可以满足大部分低功耗产品的动态工作电流分析，性价比较高。  2.面临的挑战：         都是技术上的难题。目前本作品实时采样率设计为200K，动态范围可达到120dB以上，可以测量1uA-1A之间的动态电流。相对与专业的电流分析仪来说，采样率是太低了。从本作品硬件层面来讲，采样率是最高可以到2.8M的。然而采回来的实时数据需要经过MCU处理后再存入SD卡，因为程序上没有彻底完善，运算和存储花的时间比较长，所以不得不降低采样率来保证数据的准确性和采样的实时性。前端电流采样电路也是一个难题，如果仅使用采样电阻采样，那么无法做到如此大的动态范围。本作品的前端采样电路采用了一系列的线性元件和非线性元件的组合，使其在1uA-1A的动态范围内能达到很好的精度。目前还没有做完所有的功能，后期将会优化硬件和软件性能，提升实时采样率，并加入更多功能，使其即可以作为电流分析仪又可以作为简易示波器，使其真正实现多功能，提升性价比。 *  三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点；  上图为本作品的硬件设计方案。 1.前端电流采样电路：             常见的电流采样方法有                 a.电磁感应——通常用于大电流测量场合，如能源、电源、电力系统安培（A）级电流测量，很难分辨和测量IoT等低功耗设备的mA、uA电流。                 b. 欧姆定律——线路中串联取样电阻，并测量取样电阻上的电压计算出线路电流 I =  V /Rshunt。             *值得注意的是，电流测量精度取决于电压测量精度及取样电阻的精度：            ✔ 电压测量分辨率不变，被测电流越小，取样电阻阻值Rshunt要求越大。            ✔ 保持取样电阻Rshunt不变，被测电流越小，电压测量分辨率要求越高。 使用欧姆定律方法时，串联到回路的取样电阻Rshunt可能对电路造成潜在的影响，而且很难准确的评估影响大小。如测量一个Zigbee模块动态电流时，需要考虑以下因素的影响：             ✔ 取样电阻限制了电路的峰值电流电源或电池的输出阻抗的影响。             ✔ 线路中等效寄生电容和电阻的影响。             举个例子，当Zigbee模块处于休眠状态时，其工作电流为1uA,那么我用采样电阻为100欧姆，采样电阻上产生的电压降为0.1mV。当Zigbee突然工作时，其峰值电流上升到了100mA,那么采样电阻上的压降变为了10V，显然模块根本无法工作。            因此，本作品的前端采样电路采用了一系列线性元件和非线性元件的组合，使其在小电流状态具有大的等效电阻，在大电流状态具有很小的等效电阻，后级使用极高精度低漂移仪表放大器将微小的电压信号放大，再使用ADC采样。           下图显示的是本作品实际测量在多个动态工作电流下时采样电路产生的电压降和采样电路的等效电阻。            2.信号放大电路          前端采样电路得到的电压值是非常小的，需要经过后级放大才可以进行AD采集。这边使用的是高精度低漂移的仪表放大器AD8421，此款仪表放大器在放大倍数为100倍时，还拥有2MHz的带宽，压摆率为35V/us，0.2uV/℃的输入偏置电压漂移和最大500pA的输入偏置电流，对于放大微安级的动态电流再好不过了。           3.电源电路              本作品使用12V直流供电，电源部分可分为四部分：              1. 通过一个12V转+-9V的DC-DC隔离模块，再通过线性稳压芯片将电压稳到+-5V给电流测量模拟电路供电。              2. 通过一个12V转+5V的DC-DC隔离模块，再通过线性稳压芯片将电压稳到+5V，+3.3V给数字电路供电。              3. 通过一个12V转+-9V的DC-DC隔离模块，再通过线性稳压芯片将电压稳到+-5V给电压测量模拟电路供电，通过线性稳压芯片稳压到3.3V,给数字隔离器供电。              4.USB接口使用电脑USB端口供电，通过两个USB口，可以与电脑进行串口通信和USB通信，且通信实现电气隔离。             总的来说，电流测量部分的电路，电压测量部分电路，数字电路，接口通信电路都有各自的电源，互不干扰，从而使测量精度达到最高。电流采样可以高端采样，低端采样，同时也可以进行电压采样，同时可以接在电脑上进行数据传输，就算三者电位不相等也没关系，和供电电源电位不相等也没关系。            4.PCB布线              对于精密模拟小信号和高速数字信号共存的电路，PCB布线布局尤为重要。采样前端模拟小信号布线路径尽量短，周围要覆地，要远离数字信号线，若无法远离则上下层走线，避免平行走线，去耦电容尽可能靠近芯片的引脚。数字电路部分主要是SD卡电路，USB通信电路速率较高，SD卡的布线尽量要短，时钟线周围要覆地，USB数据线得走差分线，控制阻抗。整板覆地，功率大的地方线宽要宽，多加过孔以保证电源完整性和地平面完整性。 软件部分的关键点在于ADC实时采样，采回的数据实时处理并存入SD卡，而且还要在LCD上显示电流曲线。             1.从硬件设计方案中可以看到，我用的三路ADC是STM32F407ZGT6自带的三路ADC。STM32F407ZGT6自带3路12位逐次趋近型ADC，在MCU主频168M的情况下，单路ADC最高能达到2.8M的采样率。因为我需要三路ADC同步采样，所以程序上配置为三重ADC模式。ADC实时采回的数据量非常大，同时还要进行处理，所以需要在三重ADC模式下配置DMA双缓冲数据存储模式。在此模式下，三路ADC采回的数据先存放在数组buf1中，等buf1存满了，ADC会自动切换存储地址，开始向buf2存数据。这时便可以将buf1的数据读出来处理并存入SD卡中。等到buf2的数据存满了，ADC再切换存储地址为buf1，这时又可以处理buf2的数据了。这种方法得保证数据处理和存储的时间比ADC填满buf的时间短，就可以实现连续不间断的ADC采样和数据储存，200K采样率是没问题的。然而，由于SD卡底层库程序上还没有完善，储存速率比较低，最终导致了整体采样速率上不去。后面会对硬件和软件都进行修改，将采样率提上去。 *  四、作品材料清单； | | | | | | | --- | --- | --- | --- | --- | | Comment | Pattern | Quantity | Components | | | 1N4148 | SOD123 | 6 | D1,D2,D3,D4,D5,D6 | | | 12MHz | 贴片晶振 | 1 | Y2 | Crystal Oscillator | | 8MHz | 贴片晶振 | 1 | Y1 | Crystal Oscillator | | A1212XS-2W | SIP7-5 | 2 | U19, U20 | | | AD7276 | TSOP-6N | 1 | U8 | | | AD8421 | SOIC8 | 3 | U2, U3, U5 | | | AD8422 | SOIC8 | 1 | U12 | | | ADuM1201 | SOIC8 | 3 | U10, U11, U17 | | | ADUM3160 | SOIC_W-16N | 1 | U15 | | | AMS1117 | SOT223 | 2 | U21, U26 | | | B1205XS-2W | SIP7-4 | 1 | U18 | | | Cap | 0603-C | 85 | C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11, C12, C13, C14, C15, C16, C17, C18, | | C19, C20, C21, C22, C23, C24, C25, C26, C27, C28, C29, C30, C31, C32, C34, C35, C36, C37, C38, C39, C40, C41, C42, C43, C44, C45, C46, C47, C48, C49, C50, C51, C52, C53, C54, C55, C56, C57, C58, C59, C61, C62, C63, C64, C65, C66, C68, C69, C70, C71, C72, C73, C74, C75, C76, C78, C79, C80, C81, C82, C83\, C84\, C85\, C86\, C87\, C88\, C89\, C124\, C125 \| Capacitor \| \| Cap \| 0603\-R \| 20 \| C91\, C93\, C94\, C97\, C98\, C101\, C102\, C104\, C107\, C108\, C109\, C110\, C111\, C113\, C117\, C118\, C119\, C120\, C122\, C123 \| Capacitor \| \| Cap2 \| TC3216 \| 20 \| C1\, C2\, C33\, C60\, C67\, C77\, C90\, C92\, C95\, C96\, C99\, C100\, C103\, C105\, C106\, C112\, C114\, C115\, C116\, C121 \| Capacitor \| \| CH340G \| SOP\-16M \| 1 \| U16 \| \| \| DC\-005B \| DC\-005B \| 1 \| P11 \| \| \| Header 10X2 \| HDR2X10 \| 1 \| P8 \| Header\, 10\-Pin\, Dual row \| \| Header 3X2 \| HDR2X3 \| 1 \| P5 \| Header\, 3\-Pin\, Dual row \| \| Header 4 \| HDR1X4 \| 1 \| P6 \| Header\, 4\-Pin \| \| IRLML2502 \| SOT23 \| 4 \| Q1\, Q2\, Q3\, Q4 \| N\-Channel Power MOSFET \| \| L7809 \| TO\-263 D2PAK \| 2 \| U22\, U23 \| \| \| L7909 \| TO\-263 D2PAK \| 2 \| U24\, U25 \| \| \| \| \| \| \| \| \| OP07 \| SOIC8 \| 3 \| U4\, U6\, U9 \| \| \| REF196 \| SOIC8 \| 1 \| U7 \| \| \| REF5020 \| SOIC8 \| 1 \| U1 \| \| \| Res1 \| 0603\-R \| 68 \| R3\, R7\, R9\, R10\, R11\, R12\, R13\, R14\, R15\, R16\, R17\, R18\, R19\, R21\, R22\, R23, R24, R25, R28, R29, R30, R31, R32, R33, R34, R35, R36, R38, R39, R40, R41, R42, R43, R44, R45, R46, R47, R49, R50, R51, R52, R53, R54, R56, R57, R58, R59, R60, R61, R62, R63, R64, R65, R66, R67, R68, R69, R70, R71, R72, R73\, R74\, R75\, R76\, R77\, R78\, R79\, R80 \| Resistor \| \| Res1 \| 0805\-R \| 3 \| R4\, R6\, R8 \| Resistor \| \| STM32F407ZGT6 \| LQFP\-144N \| 1 \| U14 \| \| \| SW\-PB \| 按钮 \| 1 \| S2 \| Switch \| \| TFTLCD\-2\.8寸 \| HDR2X17 \| 1 \| U13 \| \| \| TF卡槽 \| TF卡槽 \| 1 \| P7 \| \| \| USB\-MINI \| USB\-MINI \| 2 \| P9\, P10 \| \| \| 磁珠50R \| 0805\-R \| 5 \| B1\, B2\, B3\, B4\, B5 \| Inductor \| \| 单刀三掷开关 \| 单刀三掷开关 \| 1 \| S1 \| \| \| 继电器\-HFD3 \| HFD3/5/L2 \| 2 \| J1\, J2 \| \| \| 接线端子\_2P\_5\.08 \| 接线端子5\.08\*2 \| 2 \| P1\, P2 \| \| \| 精密电阻 \| 0603\-R \| 4 \| R20\, R26\, R37\, R55 \| Resistor \| \| 精密电阻 \| 0805\-R \| 3 \| R1\, R2\, R5 \| Resistor \| \| 可调电阻\-100R \| 可调电阻 \| 1 \| R48 \| \| \| 可调电阻\-200R \| 可调电阻 \| 1 \| R27 \| \| \| 调帽 \| HDR1X2 \| 1 \| P3 \| Header\, 2\-Pin \| \| 跳帽 \| HDR1X2 \| 1 \| P4 \| Header\, 2\-Pin \| *  五、作品图片上传；（PCB上须有大赛logo标识并拍照上传，若无视为放弃参赛）   *  六、演示您的作品并录制成视频上传；（视频内容须包含：作品介绍；功能演示；性能测试；PCB上大赛logo标识特写镜头，若无视为放弃参赛） 多功能功耗分析仪：[https://v\.youku\.com/v\_show/id\_XNDM3MDQ4NTY0NA==\.html?spm=a2h3j\.8428770\.3416059\.1](https://v.youku.com/v_show/id_XNDM3MDQ4NTY0NA==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1) 七、开源文档。 见附件。