一种低功耗物联网设备的动态电流检测装置

1.本实用新型属于电力测量技术领域，具体涉及一种低功耗物联网设备的动态电流检测装置。


背景技术：

2.随着物联网的迅速发展，各种低功耗物联网产品应用越来越广泛，低功耗也成为嵌入式设备中越来越被关注的性能。低功耗物联网产品为了降低设备的功耗，延长电池使用时间，一般都支持活跃态和休眠态之间切换，通常只会短时间激活运行程序，而大部分时间处于深度休眠状态。所以低功耗物联网设备不仅需要在激活状态下进行动态的电流测量，在深度休眠下也需要进行同样的测量。一般激活状态下电流可达几十至几百ma，而深度休眠下只有10ua甚至更低。
3.现有技术中，数字万用表采样率低，带宽较窄，对于宽量程范围的电流响应不佳，当设备处于工作状态切换时，这种方法暴露出不直观和数据精度低的缺点，不适合进行低功耗产品的动态电流检测。市面上可购买的电流分析仪均采用220v市电供电，体积较大，便携性不足。虽然采样率和精度很高，但是由于高昂的价格，不适于大部分个人用户使用。


技术实现要素：

4.本实用新型提出一种成本低、精度高的低功耗物联网设备的动态电流检测装置，以便更详细地评估物联网设备的低功耗性能。
5.本实用新型所采用的技术方案为
6.一种低功耗物联网设备的动态电流检测装置，包括用于检测负载电路流过产生的负载电压的采样电阻选择电路、用于放大负载电压的电流检测放大器、采集放大后的电压信号的模数转换模块、用于根据负载电压计算出负载电流数据的主控芯片和用于显示负载电流数据的显示模块；
7.所述采样电阻选择电路、所述模数转换模块和所述显示模块分别与所述主控芯片相连，所述电流检测放大器分别与所述采样电阻选择电路和所述模数转换模块相连。
8.进一步地，所述采样电阻选择电路包括pmos管u12、nmos管q6、电阻r14、电阻r17、电阻r20、电阻r23和电阻r26，电阻r23一端连接nmos管q6的引脚1，电阻r26一端连接nmos管q6的引脚2，nmos管q6的引脚2接地；电阻r23和电阻r26各自的另一端为ch1引脚，连接所述主控芯片的控制引脚；
9.电阻r20一端连接nmos管q6的引脚3，电阻r20另一端分别连接电阻r17和pmos管u12的引脚g；电阻r17另一端为cur_in端，连接pmos管u12的三个引脚s，电阻r14一端连接pmos管u12的四个引脚d，电阻r14另一端为cur_out端；负载电流由cur_in端流入，经过pmos管u12和电阻r14，由cur_out端流出；负载电压为cur_in与cur_out两端压差。
10.进一步地，所述主控芯片采用gd32e103单片机。
11.进一步地，电流检测放大器的型号为ad8418。
12.进一步地，所述模数转换模块的型号为ad9220。
13.进一步地，所述显示模块采用lcd显示屏。
14.本实用新型的有益效果在于：
15.本实用新型的动态电流检测装置成本低廉，并可准确地检测出低功耗物联网设备的动态电流。
附图说明
16.图1为本实用新型的动态电流检测装置的模块连接框图；
17.图2为gd32e103单片机的电路图；
18.图3为采样电阻选择电路的电路图；
19.图4为电流检测放大器ad8418的电路图；
20.图5为模数转换模块ad9220的电路图；
21.图6为lcd屏幕显示状态实物图。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的低功耗物联网设备的动态电流检测装置作进一步地详细说明。
23.如图1所示，一种低功耗物联网设备的动态电流检测装置，包括用于检测负载电路流过产生的负载电压的采样电阻选择电路、用于放大负载电压的电流检测放大器、采集放大后的电压信号的模数转换模块、用于根据负载电压计算出负载电流数据的主控芯片和用于显示负载电流数据的显示模块。
24.采样电阻选择电路、模数转换模块和显示模块分别与主控芯片相连，电流检测放大器分别与采样电阻选择电路和模数转换模块相连。
25.具体地，如图3所示，采样电阻选择电路包括pmos管u12、nmos管q6、电阻r14、电阻r17、电阻r20、电阻r23和电阻r26，电阻r23一端连接nmos管q6的引脚1，电阻r26一端连接nmos管q6的引脚2，nmos管q6的引脚2接地。电阻r23和电阻r26各自的另一端为ch1引脚，连接主控芯片的控制引脚。
26.电阻r20一端连接nmos管q6的引脚3，电阻r20另一端分别连接电阻r17和pmos管u12的引脚g。电阻r17另一端为cur_in端，连接pmos管u12的三个引脚s，电阻r14一端连接pmos管u12的四个引脚d，电阻r14另一端为cur_out端。负载电流由cur_in端流入，经过pmos管u12和电阻r14，由cur_out端流出。负载电压为cur_in与cur_out两端压差。
27.图3是0.18ω采样电阻选择电路，vba2107是超低导通内阻的pmos管，典型导通内阻小于6毫欧。当ch1引脚输出低电平时，nmos管q6断开，使pmos管u12的vgs为0v，此时pmos管u12断开，负载设备的电流无法通过；当ch1引脚输出高电平时，nmos管q6导通，当vgs小于
‑
1v时，pmos管u12导通，负载电流由cur_in引脚流入，经过pmos管u12和r14采样电阻，由cur_out引脚流出。通过检测cur_in与cur_out两端的压差，计算流过的负载电流。
28.采样电阻共六个，对应量程关系如表1所示。
29.表1 采样电阻与量程关系
[0030][0031]
本实施例中，主控芯片采用gd32e103单片机(gd32e103rbt6，兆易创新公司)，如图2所示。该单片机采用arm cortex
‑
m4f内核，集成了完整的dsp指令集、并行计算能力和专用单精度浮点运算单元。配备了128kb的嵌入式flash及32kb的sram。配合内置的硬件加速单元，最高主频下的工作性能可达120dmips。
[0032]
电流检测放大器的型号为ad8418，如图4所示。ad8418是一款高压、高分辨率电流检测放大器。设定初始增益为20v/v，在整个温度范围内的最大增益误差为
±
0.15％，在输入共模电压处于
‑
2v至+70v范围时，具有出色的输入共模抑制性能。本实施例中采用单向模式，输出设置为负电源轨。由ad8418的in+与in
‑
的输入的差分电压值经过20倍增益后由out引脚输出。d6是一个tvs双向二极管，当差分电压超过2v时，该tvs二极管可将电压钳位在2v，起到保护电路的作用。
[0033]
模数转换模块的型号为ad9220，如图5所示。ad9220是一款单芯片12位模数转换器，采样速率为10msps，可选片内可编程基准电压源或外部基准电压。采用多级差分流水线架构，内置数字输出纠错逻辑，在额定数据速率时可提供12位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。采用一个单时钟输入来控制所有内部转换。数字输出数据格式为标准二进制。超量程(otr)信号表示溢出状况，可由最高有效位来确定是下溢还是上溢。ad9220支持单端输入和差分输入两种模式。本实施例采用单端输入模式，由ref3120电压基准芯片产生2.048v参考电压，ad9220的输入电压范围为0～4.096v。
[0034]
显示模块采用lcd显示屏。如图6所示，上部分为框图，显示电流数据；下部分为波形图，显示待测物联网产品的动态电流波形图。
[0035]
本实用新型的动态电流检测装置的工作过程为：
[0036]
设备上电后，首先主控芯片对外设模块启动初始化功能，初始化定时器和模数转换模块。模数转换模块ad9220为12位并行输出adc芯片，可同时将12位数据通过io口发送给单片机，参考电压为4.096v，单位分辨率为1mv。gd32e103通过内部定时器，每500ns读取一次adc采样值，存入环形缓存数组中，等待数据处理。
[0037]
单片机每隔16us读取环形缓存数据的32个采样点，进行数据均值滤波，获取有效的adc采样数据。之后进行数据判断，若采样值小于200，则说明电流较小，需要增大采样电阻；若采样值大于3800，说明电流较大，需要减小采样电阻。
[0038]
如果当前采样电阻为0.18ω，adc采样值为x，则adc实际输入电压值为xmv，采样电阻两端压差为(x/20)mv，则电流值为i＝(x/3.6)ma。通过采样电阻与adc采样值的关系计算实时电流，实时电流对时间积分计算消耗电量，消耗电量对运行时间的计算获取整机平均功耗。
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本装置以gd32e103单片机为主控芯片，完成了针对低功耗物联网设备的动态电流检测装置的设计。采用模数转换器ad9220实现信号采集，采用6档采样电阻实现量程自适应切换，采用高分辨率电流检测放大器ad8418实现微弱电压的无失真放大，能在lcd屏幕上实
现了瞬时电流、平均电流、耗电量等参数显示。
[0040]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。