Как известно, практически все современные микроконтроллеры поддерживают несколько режимов работы, включая энергосберегающие режимы, которые позволяют экономить ресурс батареи. Однако не всегда просто наглядно почувствовать снижение энергопотребления и выбрать оптимальный режим работы микроконтроллера. Рассматриваемое устройство PowerScope представляет собой компактный модуль с ЖК индикатором, выполняющий функции измерения и мониторинга напряжения питания, потребляемого тока и потребляемой мощности целевым устройством (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Внешний вид модуля миллиамперметра/ вольтметра PowerScope. |
Основная цель данного миллиамперметра/вольтметра – помощь при разработке устройств на микроконтроллерах и устройств с батарейным питанием. PowerScope обеспечивает мониторинг напряжения питания и потребляемого тока и позволяет быстро оценить изменение уровня энергопотребления устройства при внесении каких-либо изменений в схему или программный код на стадии разработки. Модуль может применяться на этапе прототипирования устройства на макетной плате, или же как отдельный измерительный прибор.
Спецификация устройства:
- диапазон измерения напряжения 0 В – 10 В с разрешением 0.1 В;
- диапазон измерения тока:
- верхний диапазон: 0 мА – 300 мА с разрешением 0.01 мА;
- нижний диапазон: 0 мкА – 300 мкА с разрешением 0.01 мкА;
- функция вычисления потребляемой целевым устройством мощности (на основе данных о потребляемом токе и напряжении питания);
- защита от переполюсовки питания;
- напряжение питания модуля 3.5 В – 10 В;
- ток потребления модуля 8.5 мА;
- схема защиты от перенапряжения по входу до ±40.0 В;
- частота выборок 1 кГц;
- встроенная функция установки нуля и калибровки вольтметра;
- встроенная функция установки нуля и калибровки миллиамперметра для двух указанных диапазонов.
Принципиальная схема
Основные электронные компоненты модуля: микроконтроллер MSP430G2402 компании Texas Instruments, микросхема инструментального усилителя AD8226 компании Analog Devices, специализированная микросхема аналогового интерфейса MCP3911 компании Microchip и двухстрочный ЖК индикатор (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Принципиальная схема модуля миллиамперметра/вольтметра PowerScope. |
MSP430G2402 – это 16-разрядный микроконтроллер смешанных сигналов с ультранизким энергопотреблением, встроенной Flash-памятью программ 8 Кбайт, 16-разрядным таймером и коммуникационной периферией. Учитывая применение в нашем устройстве специализированной микросхемы MCP3911, речь о которой пойдет ниже, ресурсов микроконтроллера вполне достаточно для выполнения необходимых преобразований, вычислений и управления ЖК индикатором. Микроконтроллер тактируется от встроенного осциллятора 16 МГц.
Микросхема инструментального (измерительного) Rail-to-Rail усилителя AD8226 в нашей схеме выполняет роль буферного усилителя сигнала от шунтирующего резистора (датчика тока) в цепи измерения тока. Микросхема допускает работу с однополярным питанием и имеет низкое собственное энергопотребление. Возможный диапазон коэффициентов усиления микросхемы составляет 1 – 1000.
Основные характеристики микросхемы AD8226:
- способ установки усиления: внешним резистором;
- диапазон напряжений питания: 2.2 В…36 В;
- типовое значение тока потребления: 350 мкА;
- диапазон входных сигналов от –0.1 В до напряжения на 0.6 В ниже уровня шины питания;
- максимальный размах выходных сигналов близок к разности напряжений питания (Rail-to-Rail Output);
- типовое значение входного тока 20 нА;
- полоса пропускания (при Ку=1): 1.5 МГц.
В схеме применяются два резистивных шунта для измерения протекающего тока (а для испытуемого устройства – это ток потребления) для двух диапазонов измерений. Номиналы резисторов: 1 Ом для верхнего диапазона (миллиамперы) и 1000 Ом для нижнего диапазона (микроамперы). Переключение диапазонов ручное, с помощью переключателя PS2.
Для отображения измеренных значений тока и напряжения и вычисленного значения потребляемой мощности используется модуль двухстрочного ЖК индикатора типа NHD-C0216CZ-FSW-FBW-3V3-ND с последовательным интерфейсом (I2C-совместимый), встроенный контроллер ST7032. Для подключения такого ЖК индикатора к микроконтроллеру потребуется всего 5 линий ввода/вывода. Возможно применение другого ЖК индикатора, но тогда придется корректировать программу микроконтроллера. Управление индикатором осуществляется с помощью готовой программной библиотеки функций.
Входной аналоговый интерфейс и АЦП
Как вы, наверное заметили, используемый в схеме микроконтроллер не имеет встроенного аналого-цифрового преобразователя. Такой микроконтроллер был выбран из семейства MSP430 не случайно – задача преобразования аналоговых значений тока и напряжения возложена на микросхему аналогового интерфейса MCP3911 (Рисунок 3).
MCP3911 – это двухканальный аналоговый входной блок (Analog Front End), который включает в себя два прецизионных 24-битных дельта-сигма аналого-цифровых преобразователя (АЦП), работающих при напряжении питания 3 В. Микросхема разрабатывалась для применения в электронных счетчиках электроэнергии. Диапазон напряжений питания от 2.7 до 3.6 В позволяет питать микросхему от того же источника, что и микроконтроллер. В микросхеме предусмотрен внутренний источник опорного напряжения с низким температурным коэффициентом вместе с программируемым усилителем на каждом канале, что требуется в задачах измерения и управления.
 |
|
| Рисунок 3. | Блок-схема микросхемы MCP3911. |
Управление и обмен данными с микросхемой осуществляется по высокоскоростному последовательному интерфейсу SPI. Микроконтроллер использует встроенный модуль последовательного интерфейса, который конфигурируется в режим SPI. В качестве источника тактовой частоты для микросхемы MCP3911 применяется внешний кварцевый резонатор 4 МГц. Полное конфигурирование микросхемы осуществляется микроконтроллером также по интерфейсу SPI после подачи питания. Исходный код программы микроконтроллера хорошо закомментирован, что позволит пользователям разобраться в алгоритме работы с микросхемой.
Для измерения напряжения используется канал 0 АЦП микросхемы MCP3911 и делитель напряжения на резисторах R8 и R5. Для измерения тока используется канал 1 АЦП, на который подается выходной сигнал с инструментального усилителя AD8226. Микросхема MCP3911, как упоминалось выше, содержит встроенный источник опорного напряжения, который можно использовать и в качестве истоника опорного напряжения для инструментального усилителя, что позволяет упростить схему и уменьшить количество внешних компонентов. Включение источника опорного напряжения также осуществляется на этапе конфигурирования микросхемы.
Питание модуль может получать от внешнего источника или от источника питания испытуемого устройства или схемы. Все электронные компоненты модуля питаются от регулятора напряжения 3.3 В серии MCP1824. Для выбора источника питания используется 3-контактная перемычка-разъем, на схеме она обозначена JP5 и JP6. В случае питания от внешнего источника необходимо подать напряжение в диапазоне 4.5 В – 10 В на контакты 1 и 2 разъема JP5. Диод D2 предназначен для защиты от переполюсовки. Если модуль питается от источника питания испытуемого устройства, то необходимо замкнуть контакт 1 разъема JP6 с контактом 1 разъема JP5 (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Выбор источника питания модуля миллиамперметра/вольтметра. |
Переключатель PS2 предназначен для выбора диапазона измерения тока, кнопки, подключенные к портам микроконтроллера P2.5 (Режим), P2.4 (Вниз) и P2.3 (Вверх), используются для управления режимом работы и калибровки прибора.
Проект печатной платы и схемы доступны для скачивания в разделе загрузок. Расположение элементов на печатной плате изображено на Рисунке 5. Печатная плата разрабатывалась с учетом применения элементов для поверхностного монтажа, включая два шунтирующих резистора.
 |
|
 |
|
| Рисунок 5. | Расположение элементов на печатной плате. |
Калибровка измерительной части прибора
Калибровка и установка нуля реализована программно, что позволяет избежать применения элементов с жесткими допусками номинала. Для выполнения калибровки показаний напряжения и тока в миллиамперах можно использовать проверенный мультиметр. Оба прибора подключают к нагруженному резистором источнику питания и сравнивают их показания. Для калибровки нижнего диапазона (микроамперы) потребуется применение высокоточного резистора с источником напряжения.
С помощью кнопки «Режим» выбирается значение для установки нуля или калибровки, кнопки «Вверх» и «Вниз» используются для изменения значения. Измеренное значение отображается в верхнем правом углу на индикаторе в реальном времени, константа калибровки, которая будет использоваться в программе микроконтроллера, отображается в нижнем правом углу (Рисунок 6). Положение переключателя диапазона измерения тока определяет какой диапазон будет калиброваться. при выходе из режима калибровки, установленные константы записываются в секцию «Info» Flash- памяти микроконтроллера.
 |
|
 |
|
| Рисунок 6. | Режим калибровки показаний и установки нуля. |
Если в процессе калибровки вы видите необходимость установки значения константы выше 1200 или ниже 800, то следует проверить исправность и номинал резистора-шунта и резистора R9 для установки коэффициента усиления инструментального усилителя.
Исходный код программы микроконтроллера написан на языке Си в интегрированной среде разработки Code Composer Studio. Программирование микроконтроллера можно выполнить с помощью отладочной платформы LaunchPad, которая подключается к ПК по USB интерфейсу. Для программирования используется 4-контактный разъем JP4 (на печатной плате можно оставить просто контактные площадки).
Примечание.
В приборе возможно использование шунтирующих резисторов с меньшим номиналом – 0.1 Ом для верхнего диапазона и 100 Ом для нижнего диапазона измерения тока. Если вы решите использовать такие резисторы, то после их замены необходимо выполнить следующие действия:
- заменить резистор R9 с сопротивлением 54.9 кОм на резистор 4.99 кОм;
- в исходном коде программы микроконтроллера снять признак комментария в строке // #define LOW_SHUNTS;
- скомпилировать код для получения прошивки микроконтроллера.
Демонстрация работы измерительного прибора PowerScope (Рисунок 7, 8).
 |
|
| Рисунок 7. | Измерение потребляемого тока и мощности схемы на КМОП таймере, генерирующей сигнал с частотой 100 Гц. Модуль PowerScope и схема питаются от одного источника питания 5 В. |
 |
|
| Рисунок 8. | Энергопотребление микроконтроллера MSP430G2211, который находится в энергосберегающем режиме работы 4. По спецификации на микроконтроллер – номинальное значение 0.1 мкА. Напряжение питания модуля 5 В, напряжение питания схемы 3.3 В. |
Загрузки
Исходный код, прошивка, принципиальная схема и печатная плата (PDF, Eagle), список компонентов – скачать
