#第四届立创大赛#便携式动态电流检测 - 嘉立创EDA开源硬件平台

简要介绍作品： 本项目设计了一个低成本的动态电流检测装置，其具有体积小，易于携带和使用，使用高位ADC实现很宽的量程和较高的精度，且具备曲线图表显示功能，可以方便的用于测量低功耗设备的工作、休眠电流。 一、作品详情；     1、设计特点： \- 模拟前端：使用专业的电流检测芯片，克服了使用传统运放电流检测只能在电源低侧（也就是地）进行才能结构简单精度高的问题，可以将检流电阻放置在电源高侧或低侧，实现\-0\.3V至26V的共模电压处均可以进行检流；同时引入了双向电流检测的概念，无论电流是从左到右还是从右到左的流过检流电阻，都可以获得等精度等量程的测量结果，充分利用差分ADC性能的同时，提高了测量应用的适用性。 \- 模数转换芯片：使用一款高精度、低功耗模数转换芯片，其构架为两阶Sigma\-Delta ADC，具有24位无失码差分输入，且外围非常简单，无噪声精度可以达到20位以上，保证了系统宽量程精密测量的可能性。 \- 处理和显示系统：使用内核为ARM cortex\-m0的单片机，保证了数据处理的能力，为电流曲线刷新显示提供足够运算性能支持，显示使用了由LG生产的240\*320分辨率的IPS屏幕，有可视角度高，颜色艳丽的特点，有三个用户按键，预留可外接25Q储存和24C储存芯片的焊盘，为以后的功能拓展提供空间。 \- 低成本：经过测试对比后选用了国产的ADC和MCU\,在保证性能达标的情况下，有极简的的外围元件要求，很低的BOM成本（数十元以下）。是一款低成本，性能适中的动态电流检测设备的方案。 2、技术参数：         - 量程：-125mA ~ +125mA         - 测量测量共模电压范围：-0.3V ~ +26V         - ADC位数：24位         - 测量精度：千分之0.02+-10字 @ 10Hz ; 千分之0.05+-25字 @ 40Hz         - 基准电压：2.5V         - 显示刷新速度：10Hz/40Hz         - 供电：5V 50mA     3、应用场景：        -  低功耗设备的工作电流、休眠电流监控；        -  系统中单个芯片/有源元件的耗电分析；        -  单片机IO推拉（漏）电流分析；     4、功能介绍         - 板上元件简介  \- 相关人机接口简介  \- 屏幕显示内容简介  \- 测量接线方法 红色线为电源输入，黄色线接目标电源，黑色为共地  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题；     1、模拟部分：一个好的测量系统，能得到高性能测量结果的前提是需要有优异的模拟前端。而在本系统中，对于电流信号的采样，主要有两个难点。第一个难点就是对于微电流的采集。低功耗设备在休眠的时候，往往运行电流在几十uA甚至是几uA的级别，对于这个级别的微弱电流，传统的解决方案有两种。 如果使用万用表之类的测量，普通的万用表，往往不能采集到或者只能读到一两位，而且需要串入很大的电流取样电阻，比如常见万用表中，对于2ma量程的测量，使用了100欧的取样电阻来测量，这个阻值对于动态功耗的设备是很大的，吧如此大阻值的电阻串到电路中，设备在非休眠状态几乎不能工作，这样就不能正确测算出系统的功耗。 图为某经典万用表电路图 可见2ma量程回路使用了90+9+0.9+0.1的搭配合成阻值100欧  有另外一种常用方案是使用两个检流电阻串联，比如0.1欧与100欧串联，然后使用两组放大电路和adc来分别检测，当待测系统休眠时，使用100欧回路来测量电流，当系统工作时，用手动/电子开关短接100欧电阻，使用0.1欧回路检测。但是这种方案有两个问题，首先是系统复杂成本高，需要两套模拟前端，两套adc和配套的电子开关电路，其次是在待测目标系统唤醒的时候，如果开关切换不是足够的快，依然会出现供电不足导致的目标电压过低唤醒失败甚至触发低电压复位。 双电阻的电流测量系统 结构如图  在本设计中，选用了德州仪器生产的高精度电流监控芯片INA214,也称作电流感测放大器。此芯片提供了100倍的电源放大增益，并且使用了零漂移架构，±0.02%的增益误差和±0.01%的非线性误差，使得精确微弱电流信号测量得到了可能。 在功耗测量中，如果能像万用表一样正负测量显示，就可以提供很大的测量空间，就可以在接线时不用担心接反。所幸本设计中选用的INA214芯片能提供这个功能。 在另一个方面，因为引入了成熟的电流监控方案，在可以满足双向检流的同时，还可以提供在电源高侧或低侧进行检流的功能，克服了使用传统运放电流检测通常只能在电源低侧（也就是地）才能进行的问题。芯片提供高达140dB的共模抑制比，大大保证了不会因为共模电压的变动造成测量结果的显著偏差。     2、ADC部分：低功耗电流采样的 第二个难点就是在保证测量精度的时候 对于大动态范围的可适应性。此处就得益于高位ADC的使用，使用24位的ADC,在扣除噪声位干扰后，还能提供20位的无噪声分辨率，且拥有±15ppm积分线性度，内部低噪放20nV/摄氏度温漂，这样对于100+ma到几uA的测量变得轻松准确，免去了量程切换带来的延时，较准难度，误差不均匀，外围电路复杂等问题。 此设计原型验证期间，在在试用了十余款国内外不同厂商生产的24位adc后，选用了性价比高，外围简单，性能优异的国产ADC,型号CS1237     3、曲线显示：在程序设计中，涉及到高速的显示曲线，这部分要求很高的处理运算速度。所以8位单片机肯定是余力不做，所以选用了ARM内核的单片机，在本设计中，独到的选用了新唐的NUC029单片机，其具备的EBI接口可以便捷的与屏幕对接，并且比软件模拟有更高的通讯速度，保证了屏幕的曲线刷新速度。 在程序上，运用了多种优化手段，来保证曲线运算和刷新显示的高效。详细优化方法见附件程序包，此处不赘述。 同时，在UI设计上，提出了自适应量程适应的曲线显示方案，在曲线方框中能显示出更多的有效信息。 三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点； 在精密测量系统中，所有确定的误差都可以通过软硬件进行定量衡量，最终进行补偿或消除；但是温漂和噪声这两大敌人，无法通过补偿进行消除，是所有测量系统都必须面对的。在本系统中 有三部分会引入温漂和噪声。电流取样电阻，电流感测放大器和ADC(包括基准)。 对于电阻，主要引入的是温漂，电流通过，温度上升，电阻值飘移。所以越大封装的电阻，同样功耗下温升越小，飘移的阻值也越小，所以这里选用的是2512的大封装电阻，且选用温漂系数较小的型号，而且本设计中电流不大，仅仅125ma，所以此处引入的温漂可以达到要求。 对于电流监控芯片，是温漂和噪声控制的关键。通过手册可以看到，本作选用的INA214芯片，增益变化对于温度的飘移是典型值3ppm每摄氏度，最大值10ppm。对于噪声，决定了采样的有效位数，芯片的电压噪声25nV/√Hz，对比常见的高精度仪表运放AD620,增益变化对于温度的飘移是典型值10ppm每摄氏度，最大值95ppm，电压噪声72nV/√Hz，可见INA214的漂移和噪声之小。 对于基准芯片，这里选用MC1403这款基准，可以提供典型值10ppm每摄氏度的温漂。 对于ADC芯片，P-P噪声为180nV,有效无噪声精度为20位，失调误差温度漂移20nV每摄氏度。 可见以上这些足够强悍的性能保证了测量系统的小检流测量精度。 为了可以进行双向电流测量，使用以下电路，可以有效的抑制共模误差，提高共模抑制比  检流电阻的布线 需要遵循等长就进的原则 以保证电压电流偏置的影响最小  实物布线  软件设计上，提供了两挡速率可以很方便的观察设备休眠和工作的电流曲线图。另一方面，计算和显示出了当前图标中的电流最大最小值，方便定性分析。 曲线显示使用了分块刷新技术减小频闪。 实时自动测定显示量程的引入，使波形尽量充满屏幕，增加可观察信息。 具体细节见开源附件 四、作品材料清单；  屏幕购买自某宝 五、作品图片； 开机显示界面  完成图 完成图 正面  完成图 反面  大赛图标特写  对静态电阻负载进行测量 （对比万用表）   对N76E003芯片的低功耗工作和休眠电流进行测量 使用两档不同的速率   测试中使用的N76E003代码：  手册中写到掉电模式典型耗电为6ua，与测到的5.5ua基本吻合  六、开源文档。 开源PCB 直接LCEDA打开即可 开源所有代码 且附可执行文件可直接烧录运行 下载见附件 七、演示视频：