PowerMonitor - миниатюрный измеритель электрических параметров

В практике каждого радиолюбителя или профессионального электронщика довольно часто возникает необходимость контролировать электрические параметры приемника постоянного тока, т.е. параметры напряжения, тока или мощности, потребляемые тестируемым устройством. Именно для таких целей и создано устройство под названием PowerMonitor.

Основные параметры:

• диапазон измерения напряжения: 0…34 В, с дискретностью 10 мВ;
• диапазон измерения тока: 0…10 А, с дискретностью 1 мА;
• диапазон измерения мощности: 0…340 Вт, с разрешением 100 мВт;
• диапазон измерения количества заряда: 0…100 Ач, с дискретностью 10 мАч;
• количество точек регистрации: 100, с временным интервалом, установленным в диапазоне 1…10 с;
• возможность генерировать аварийные сигналы при превышении установленных пороговых значений;
• графическое представление результатов;
• средний ток потребления от источника питания: 13 мА.

Согласно предположениям, прибор должен характеризоваться следующими функциональными особенностями:

• измерение напряжения на клеммах приемника;
• измерение тока и мощности, потребляемой приемником;
• измерение количества заряда, переданного приемнику;
• возможность формирования аварийных сигналов после превышения настраиваемых параметров, независимо для каждой из электрических величин (аварийный сигнал выше и ниже установленного значения);
• графическое представление выбранных величин в зависимости от времени (отрисовка характеристик).

Изготовление и эксплуатация

Не вдаваясь пока в детали реализации, давайте перейдем к принципиальной схеме powerMonitor, которая показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема устройства powerMonitor

Как видите, это очень простая микропроцессорная система, сердцем которой является небольшой микроконтроллер ATtiny84 с тактированием от внутреннего RC-генератора частотой 8 МГц. Микроконтроллер отвечает за программную реализацию интерфейса I2C, с помощью которого он общается с INA226, представляющий собой специализированный, очень точный, 16-разрядный, дифференциальный АЦП, а также управляет небольшим, но очень эффективным OLED-дисплеем с разрешением 128x32 пикселей, который является частью графического интерфейса пользователя. Кроме того, наш микроконтроллер отвечает за работу двух кнопок UP и DOWN, используя встроенный Timer0 и соответствующее системное прерывание для устранения дребезга, а также работу пьезоэлектрического ЗУММЕРА (без внутреннего генератора),

Вышеупомянутый специализированный АЦП измеряет падение напряжения на последовательно включенном резисторе R1 (10 мОм), благодаря чему можно определить ток, потребляемый тестируемым устройством. Однако это не обычный внешний АЦП преобразователь, как многие на рынке, а специализированная микросхема, предназначенная для измерения тока, напряжения и мощности устройств, питающихся от постоянного напряжения. Поскольку это достаточно уникальный элемент, стоит хотя бы вкратце ознакомиться с его спецификацией. Как было написано ранее, микросхема INA226 производства Texas Instruments представляет собой специализированный, очень точный, 16-разрядный дифференциальный измерительный АЦП, предназначенный для использования в системах измерения тока и мощности с использованием резистивного шунта. Данная микросхема отличается следующими функциональными особенностями:

• широкий диапазон питающих напряжений 2,7...5,5 В;
• очень высокая точность измерения 0,1%;
• возможность работы в системах с широким диапазоном напряжений питающей шины 0…36 В;
• возможность работы в конфигурации Low-side и High-side;
• прямое измерение напряжения, тока и мощности;
• настраиваемое время обработки встроенного преобразователя АЦП;
• настраиваемая функция усреднения измерений;
• два режима работы встроенного АЦП преобразователя: непрерывный и срабатывающий по запросу;
• возможность срабатывания сигнализации при превышении установленного уровня тока, напряжения или мощности потребляемой приемником.

Микросхема INA226 идеально соответствует требованиям нашего проекта, предлагая беспрецедентную функциональность и точность измерений. Блок-схема этой микросхемы показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Блок-схема INA226

Микросхема осуществляет непрерывное (или запускаемое вручную программой пользователя) измерение двух значений напряжения: напряжения шины питания приемника (VBUS) и напряжения на клеммах резистивного шунта (VSHUNT), включенного последовательно с приемником. На основании этих двух величин и содержимого конфигурационного регистра CALIBRATION (значение которого зависит от требуемой разрешающей способности измерений и параметров применяемого резистивного шунта) система рассчитывает следующие электрические величины: ток и мощность, потребляемые приемником и делает их доступными для пользовательского применения, загружая рассчитанные значения в соответствующие регистры, а также устанавливая флаги завершения преобразования.

Кроме того, благодаря оснащению его группой специальных регистров конфигурации, отвечающих за сравнение измеренных и рассчитанных значений с пороговыми значениями, а также соответствующим выходом, помеченным как ALERT, преобразователь позволяет генерировать аварийные сигналы после превышения заданных пользователем порогов: напряжение на шине питания, напряжение на измерительном шунте и мощность, потребляемая приемником.

Кроме того, производитель этой микросхемы оснастил ее возможностью независимой настройки времени обработки АЦП-преобразователя, отдельно для напряжения шины питания и напряжения резистивного шунта, а также возможностью усреднения измерений этих величин из множества последующих измерениий. Благодаря такому подходу значительно увеличился полезный функционал системы и возможность настройки режима ее работы под требования конкретного приложения. Следует только помнить, что увеличение времени обработки встроенного АЦП значительно увеличивает получаемую точность измерений, а усреднение большего количества отсчетов значительно улучшает отношение сигнал/шум,

Внимательный читатель непременно заметит довольно сложный стабилизатор питания, построенный с использованием весьма современного понижающего преобразователя в виде интегральной схемы LT1934-1 производства Analog Devices, которая в прикладном варианте может отдавать ток 60 мА. Почему я использовал DC/DC конвертер и такой необычный? Это просто. Я хотел, чтобы наше устройство питалось от того же источника, что и тестируемый приемник, т.е. фактически было включено последовательно между источником питания и тестируемым приемником. Так как я предполагал достаточно широкий диапазон напряжений для источников питания, то использовать обычный линейный стабилизатор (даже LDO) для питания микропроцессорной системы стало невозможно из-за слишком большой рассеиваемой мощности и проблемы с тепловыделением (не говоря уже о его КПД). Довольно быстро выяснилось, что среди имеющихся на рынке полупроводников довольно сложно найти такой, который бы соответствовал условиям проекта (входное напряжение 34 В и выходное напряжение 2,8 В) и в корпусе, который было бы легко установить на плату. По сути, это был единственный DC/DC преобразователь, отвечающий всем первоначальным проектным требованиям. Я не буду здесь вдаваться в детали реализации, потому что соответствующую информацию можно найти в подробной технической документации, тем более, что используемое решение является типовой реализацией, предложенной в примечании к применению, обеспечивающей широкий диапазон питающих напряжений (3.3 ... 34 В) и максимально допустимый ток нагрузки 60 мА, что более чем соответствует требованиям микропроцессорной системы.

Тем не менее, стоит упомянуть об определенном ограничении этого преобразователя. Итак, микросхема LT1934-1 может нормально работать при входном напряжении 3,3 В, но для запуска самого преобразователя необходимо несколько большее напряжение, а именно 4,5 В. После запуска преобразователя напряжение питания можно снизить до указанного уровня, однако это ограничение следует всегда помнить. Правда, это ограничение можно устранить, немного изменив предложенную реализацию, подключив анод диода D2 к входному напряжению (VIN) вместо выходного напряжения (VCC), но в этом случае мы ограничим диапазон питающих напряжений на этот раз сверху до максимального значения 20 В, которое вытекает из допустимого напряжения на выходе BOOST инвертора, которое в данном случае составляет примерно 2*VIN и не должно превышать 40 В.

Другое решение — придерживаться исходной схемы и изначально нагрузить выход преобразователя минимальным током около 12 мА, что обеспечит корректный запуск системы даже при входном напряжении 3,3 В, не ограничивая при этом максимальный уровень входного напряжения, но значительно ухудшает КПД системы (половина тока в этом случае будет тратиться на нагрев нагрузочного резистора).

Я оставляю окончательное решение читателям, потому что каждый должен решить, какие ограничения он готов себе позволить. Остановился на версии от реализации производителя. Для любознательных читателей добавлю, что выходное напряжение было установлено на уровне 2,8 В. Что немаловажно, хотелось бы отметить, что для обеспечения оптимальной работы преобразователя (в том числе максимального его КПД) необходимо использовать конденсаторы соответствующего качества (особенно электролитические конденсаторы с низким ESR), что отражено в описании перечня элементов. Эту проблему нельзя недооценивать. Вот вам и силовой блок.

Монтаж и наладка

Перейдем к схеме сборки нашего устройства, которая представлена на рисунке 3. Как видите, была спроектирована небольшая двухсторонняя печатная плата, которая по размерам аналогична используемому OLED-дисплею, дополнительно предусмотрев необходимые монтажные отверстия. Также стоит отметить, что для минимизации размеров печатной платы здесь предусмотрена сборка элементов с обеих сторон платы.

Рисунок 3. Макет печатной платы powerMonitor.

Монтаж компонентов устройства начинаем с НИЖНЕГО слоя, где сначала припаиваем полупроводники. Этот процесс проще всего выполнить с помощью термовоздушной паяльной станции и соответствующих припоев. Однако, если у вас нет такого оборудования, вы также можете использовать метод с использованием обычного паяльника. Самый простой способ сборки элементов с такой высокой плотностью выводов, не требующий специального оборудования, — использовать обычный паяльник, олово хорошего качества с нужным количеством флюса и достаточно тонкую оплетку для выпайки, что позволит удалить лишнее олово между выводами микросхем. Будьте осторожны, чтобы не перегреть плату.

Далее переходим на ВЕРХНИЙ слой, где, как и раньше, сначала припаиваем полупроводники, затем пассивные элементы, кнопки UP и DOWN и разъемы POWER и LOAD. В самом конце монтируем OLED-дисплей на подготовленную таким образом плату, просто впаяв его выводы в предназначенные для этого паяльные площадки (проверьте полярность питания), так как электрические соединения обеспечивают достаточно стабильное механическое крепление.

Настройки фьюз-битов:

CKSEL3...0: 0010
SUT1...0: 10
CKDIV8: 1
CKOUT: 1
DWEN: 1
EESAVE: 0

Правильно собранное устройство должно работать сразу после включения питания.

Фото 1. Собранное устройство powerMonitor со стороны ВЕРХНЕГО слоя непосредственно перед пайкой OLED-дисплея

На фото 1 показано собранное устройство со стороны ВЕРХНЕГО слоя непосредственно перед пайкой OLED-дисплея, а на фото 2 — то же устройство со стороны НИЖНЕГО слоя.

Фото 2. Собранное устройство powerMonitor со стороны НИЖНЕГО слоя

Стоит отметить, что дорожки, проводящие большие токи (между разъемами POWER и LOAD), спроектированы таким образом, что по ним можно пропускать постоянный ток силой до 10 А. Для этого предусмотрена их ширина и они не покрыты паяльной маской. Для дальнейшего улучшения их проводимости можно попробовать покрыть их небольшим количеством припоя. Используемый тип шунта обеспечивает возможность рассеивания мощности 1 Вт, что соответствует требованиям проекта. В случае, если шунт нагревается до недопустимых температур, следует использовать элемент с более высокой допустимой мощностью рассеяния или два элемента (с соответствующим сопротивлением), соединенных последовательно или параллельно.

Применение

При проектировании пользовательского интерфейса powerMonitor я руководствовался принципом максимальной простоты работы системы, а также желанием оснастить ее соответствующей палитрой возможностей. Для достижения этой цели я использовал небольшой, но очень привлекательный OLED-дисплей с разрешением 128x32 пикселей и две кнопки, условно обозначенных как UP и DOWN, при этом прикладная программа различает короткое и продолжительное нажатие каждой из кнопки.

В соответствии с этими предположениями был создан очень понятный графический пользовательский интерфейс, в котором отображаются 4 экрана системы со следующими функциями:

главный экран, на котором отображается напряжение на клеммах приемника, ток, потребляемый приемником, а также мощность и количество заряда, подаваемые на приемник,

экран токовых характеристик, на котором отображается масштабируемая, упрощенная диаграмма зависимости тока приемника от времени (шаг записи настраивается) и минимум/максимум, зафиксированные при измерениях;

экран характеристик напряжения, на котором отображается масштабируемый, упрощенный график зависимости напряжения питания от времени (шаг записи настраивается) и минимум/максимум, зафиксированные при измерениях;

экран настроек, где мы устанавливаем настройки функции оповещения (включая тип оповещения и пороговые значения).

Стоит отметить, что графики на постоянной основе масштабируются таким образом, чтобы минимум по оси Y (внизу экрана) соответствовал зафиксированному минимальному значению (показанному в правой части графика), а максимум по оси Y (вверху экрана) соответствует зафиксированному максимальному значению (показанному в правой части графика), отсюда и отсутствие маркировки на этой оси. Шаг записи (отображаемый на экране записи) регулируется в диапазоне 1...10 с, а сам график позволяет показать последние 100 точек записи. Если это число превышено, график будет автоматически сдвинут влево, показывая последние 100 записанных значений для данной электрической величины.

Рисунок 4. Вид всех системных экранов Меню PowerMonitor

Внешний вид всех экранов Меню показан на рисунке 4. Работа прибора заключается в переходе между последовательными экранами (кроме экрана настроек) и осуществляется кратким нажатием кнопки UP. Длительное нажатие кнопки UP сбрасывает переменные: в случае основного экрана - это количество заряда, потребленного приемником, а в случае экранов записи - содержимое графика, а также зафиксированный минимум/максимум. Длительное нажатие кнопки DOWN на главном экране приведет вас к экрану настроек оповещения. Вышеперечисленные правила являются лишь малой частью функционала кнопок управления, ведь их важность в процессе эксплуатации устройства (в том числе факт короткого или длительного нажатия) определяется местом в Меню, в котором находится устройство.

Рисунок 5. Схема, показывающая, как работать с powerMonitor

Наконец, стоит подчеркнуть, что активная функция оповещения заставляет встроенный зуммер циклически сигнализировать о факте превышения установленного порога срабатывания сигнализации (ниже или выше установленного значения) до тех пор, пока не прекратятся условия срабатывания сигнализации.

Автор: Роберт Волгаев