李毅堂 李坡 施鑫 路遙

【摘 ?要】目前市場(chǎng)上的戶(hù)用熱量表多使用內(nèi)置電池供電，熱量表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32224-2015中要求內(nèi)置電池的使用壽命應(yīng)大于（5+1）年。而目前現(xiàn)有的主要功耗檢測(cè)方法對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的熱量表功耗并不完全適用。本文研制了一臺(tái)可以檢測(cè)動(dòng)態(tài)功耗，具備高存儲(chǔ)深度的功耗分析儀。此設(shè)備雖基于熱量表進(jìn)行研制，但也可適用于其他低功耗儀表功耗的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】熱量表;動(dòng)態(tài)功耗檢測(cè);存儲(chǔ)深度

1.引言

熱量表作為供熱計(jì)量的重要環(huán)節(jié)之一，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的集中供熱系統(tǒng)中。目前市場(chǎng)上的小口徑戶(hù)用熱量表多采用內(nèi)置電池供電，熱量表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32224-2015中要求內(nèi)置電池的使用壽命應(yīng)大于（5+1）年[1]，熱量表使用單位對(duì)此項(xiàng)指標(biāo)尤其重視，通常會(huì)要求更長(zhǎng)的使用壽命，一般不低于8年，有的甚至10年。熱量表國(guó)標(biāo)中對(duì)電池壽命和功耗的檢測(cè)方法進(jìn)行了規(guī)定，但是描述比較簡(jiǎn)略，且由于熱量表功耗是快速動(dòng)態(tài)變化的，傳統(tǒng)的功耗測(cè)試方法并不完全適用，因此需要研制一套針對(duì)動(dòng)態(tài)變化功耗的測(cè)試設(shè)備，以便更加合理有效的評(píng)價(jià)該項(xiàng)指標(biāo)。

2.熱量表功耗的特點(diǎn)

熱量表目前較為普遍的工作方式，是周期性的采集流量傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，采集周期數(shù)秒至數(shù)分鐘不等，每次采集只持續(xù)幾十毫秒的時(shí)間，在兩次采集之間，熱量表處于待機(jī)狀態(tài)，功耗極低。

對(duì)熱量表的工作方式分析，可以得出以下三個(gè)主要特點(diǎn)：

1.工作電流范圍大，采集數(shù)據(jù)時(shí)的瞬時(shí)電流可以達(dá)到數(shù)百微安至數(shù)毫安，而待機(jī)狀態(tài)的工作電流通常不超過(guò)10uA，最大值與最小值之間相差超過(guò)1000倍;

2.時(shí)間跨度大，流量采集周期一般為數(shù)秒，溫度采集周期一般數(shù)十秒，而每次采集只持續(xù)幾十毫秒，想要觀察熱量表完整的工作電流變化情況，一方面需要足夠的工作電流檢測(cè)速率，另一方面需要足夠的連續(xù)采集時(shí)間，因此對(duì)檢測(cè)設(shè)備的存儲(chǔ)深度有很高的要求;

3.工作電流不斷在采集狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)之間變化。

3.功耗分析儀設(shè)計(jì)

功耗分析儀整體設(shè)計(jì)采用電流采集設(shè)備與電腦軟件相配合的方式實(shí)現(xiàn)。電流采集設(shè)備即分析儀主機(jī)，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的調(diào)理，采集，上傳功能;PC機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)電流波形的顯示，分析，平均電流的計(jì)算等功能;主機(jī)與PC機(jī)通過(guò)USB口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

功耗分析儀主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為保證量程1uA端的精度，本設(shè)計(jì)的電源采用了鋰電池供電，以降低市電引入的噪聲。鋰電池選用三星的可充電鋰電池ICR18650-26F，搭配TI的鋰離子電池充電和電源路徑管理芯片BQ24072[2]，及MITSUMI的鋰電池保護(hù)芯片MM3280，共同完成電池供電，電池充電及電源路徑管理功能。

BQ24072電路如圖2所示。輸入電流限值通過(guò)設(shè)置EN1=0，EN2=1，即通過(guò)ILIM引腳與VSS引腳間電阻進(jìn)行設(shè)置。本文中R13選取1.1kΩ，則輸入電流限值IINMAX=KILIM/RILIM=1610AΩ/1.1kΩ=1.5A，與外部充電器規(guī)格匹配。

電池充電電流由ISET引腳與VSS引腳之間的電阻值決定。鋰電池ICR18650-26F電容量2600mAh，標(biāo)準(zhǔn)充電電流1300mA，本文中RISET由兩個(gè)電阻并聯(lián)，阻值分別為1kΩ和2kΩ，等效阻值約667Ω，則ICHG=KISET/RISET=890AΩ/667Ω=1.3A，滿(mǎn)足鋰電池要求。

MM3280為鋰電池保護(hù)芯片，主要提供過(guò)充電和過(guò)放電保護(hù)，以及放電過(guò)電流和充電過(guò)電壓保護(hù)功能。

信號(hào)調(diào)理電路在差分輸入端首先設(shè)置了10mA自恢復(fù)保險(xiǎn)絲GBX010，提供過(guò)流保護(hù)。在采樣電阻與ADC之間，采用2個(gè)1k電阻，2個(gè)33nF電容和1個(gè)100nF的電容組成RFI濾波器，從而降低噪聲對(duì)ADC采集的影響。

ADC轉(zhuǎn)換電路中，電流經(jīng)10歐姆（0.1%，25ppm）電阻采樣轉(zhuǎn)換為電壓，以差分方式連接至AD7193[3]的差分測(cè)量輸入;電流滿(mǎn)量程規(guī)定為5mA，按照6mA進(jìn)行設(shè)計(jì)，則ADC輸入最大電壓為60mV，通過(guò)ADC的PGA放大32倍，達(dá)到1.92V，包含在（-2.048，2.048）的ADC測(cè)量量程內(nèi)，同時(shí)留有余量保證Σ-Δ ADC不易受干擾導(dǎo)致飽和。AD7193以1KHz的速率采樣并輸出數(shù)據(jù)，參考電壓4.096V，由ADR392產(chǎn)生。MCU通過(guò)SPI口讀取采樣值，轉(zhuǎn)換為電流值，實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。

功耗分析儀與上位機(jī)采用USB接口通訊。USB接口采用USB轉(zhuǎn)串口的形式，通過(guò)轉(zhuǎn)換芯片CH340，將USB協(xié)議轉(zhuǎn)換為串口協(xié)議，然后通過(guò)磁耦A(yù)DuM3211隔離，保護(hù)功耗分析儀內(nèi)部電路免受PC端高電壓的破壞。USB入口處設(shè)置保護(hù)芯片PRTR5V0U2AX，對(duì)USB接口信號(hào)線(xiàn)提供靜電保護(hù)。

MCU選用Cortex-M3內(nèi)核的LPC1754，本文使用了timer、看門(mén)狗、IO、UART等資源。使用FM25L16作為掉電存儲(chǔ)器，保存配置參數(shù);MCU使用12.288MHz外部有源石英晶振，以生成從IO口給AD7193提供標(biāo)準(zhǔn)的4.096MHz時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)1KHz的采樣速率。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括功耗分析儀主機(jī)中的固件程序，以及電腦上位機(jī)中的系統(tǒng)程序。

固件程序只有采集數(shù)據(jù)和發(fā)送兩個(gè)任務(wù)，采集任務(wù)在定時(shí)器中斷中進(jìn)行，發(fā)送任務(wù)在主程序中進(jìn)行，電流采集流程如圖3所示。

功耗分析儀系統(tǒng)軟件可以實(shí)時(shí)獲得功耗分析儀中采集的電流值，點(diǎn)擊開(kāi)始通訊按鈕，電流值可以實(shí)時(shí)顯示于操作界面上，并實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前屏上的電流最大值，最小值和平均值。軟件可以對(duì)感興趣的電流數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行選擇，縮放，并計(jì)算區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。軟件可以將當(dāng)前屏中的電流數(shù)據(jù)保存，在需要的時(shí)候進(jìn)行回放，回放界面也支持相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)操作界面如圖4所示。

4 結(jié)論與改進(jìn)

本文所研制的功耗分析儀，電流測(cè)量范圍達(dá)到1uA～5mA，采樣頻率1kHz，電流采集精度0.2%rdg.+5dgt.，分辨率0.1uA，可不間斷采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度高?？梢钥闯?，本文根據(jù)第2節(jié)列舉的熱量表功耗的特點(diǎn)，針對(duì)測(cè)量范圍大，存儲(chǔ)深度高，測(cè)量頻率快的需求進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，可以很好的適用于熱量表以及其他低功耗儀器儀表的功耗檢測(cè)。近些年市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些插卡式的帶閥門(mén)功能的熱量表或水表，因?yàn)槠鋬?nèi)部電機(jī)的瞬時(shí)電流峰值很高且易產(chǎn)生強(qiáng)噪聲等原因，目前的功耗分析儀還不能很好的適用，需要未來(lái)有針對(duì)性的進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)改進(jìn)，以期對(duì)低功耗儀表檢測(cè)功能更加完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 熱量表，GB/T 32224-2015

[2] bq2407x 1.5-A USB-Friendly Li-Ion Battery Charger and Power-Path Management IC，http：//www.ti.com.cn/

[3] 4-Channel 4.8 kHz Ultralow Noise 24-Bit Sigma-Delta ADC with PGA，www.analog.com

（作者單位：天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院）