用于动态功耗检测的功耗分析仪研制

李毅堂 李坡 施鑫 路遥

【摘  要】目前市场上的户用热量表多使用内置电池供电，热量表国家标准GB/T 32224-2015中要求内置电池的使用寿命应大于（5+1）年。而目前现有的主要功耗检测方法对于动态变化的热量表功耗并不完全适用。本文研制了一台可以检测动态功耗，具备高存储深度的功耗分析仪。此设备虽基于热量表进行研制，但也可适用于其他低功耗仪表功耗的动态检测。

【关键词】热量表;动态功耗检测;存储深度

1.引言

热量表作为供热计量的重要环节之一，被广泛应用于我国的集中供热系统中。目前市场上的小口径户用热量表多采用内置电池供电，热量表国家标准GB/T 32224-2015中要求内置电池的使用寿命应大于（5+1）年[1]，热量表使用单位对此项指标尤其重视，通常会要求更长的使用寿命，一般不低于8年，有的甚至10年。热量表国标中对电池寿命和功耗的检测方法进行了规定，但是描述比较简略，且由于热量表功耗是快速动态变化的，传统的功耗测试方法并不完全适用，因此需要研制一套针对动态变化功耗的测试设备，以便更加合理有效的评价该项指标。

2.热量表功耗的特点

热量表目前较为普遍的工作方式，是周期性的采集流量传感器和温度传感器的数据，采集周期数秒至数分钟不等，每次采集只持续几十毫秒的时间，在两次采集之间，热量表处于待机状态，功耗极低。

对热量表的工作方式分析，可以得出以下三个主要特点：

1.工作电流范围大，采集数据时的瞬时电流可以达到数百微安至数毫安，而待机状态的工作电流通常不超过10uA，最大值与最小值之间相差超过1000倍;

2.时间跨度大，流量采集周期一般为数秒，温度采集周期一般数十秒，而每次采集只持续几十毫秒，想要观察热量表完整的工作电流变化情况，一方面需要足够的工作电流检测速率，另一方面需要足够的连续采集时间，因此对检测设备的存储深度有很高的要求;

3.工作电流不断在采集状态和待机状态之间变化。

3.功耗分析仪设计

功耗分析仪整体设计采用电流采集设备与电脑软件相配合的方式实现。电流采集设备即分析仪主机，实现电流信号的调理，采集，上传功能;PC机软件实现电流波形的显示，分析，平均电流的计算等功能;主机与PC机通过USB口进行数据通信。

3.1 硬件设计

功耗分析仪主机硬件结构如图1所示。

为保证量程1uA端的精度，本设计的电源采用了锂电池供电，以降低市电引入的噪声。锂电池选用三星的可充电锂电池ICR18650-26F，搭配TI的锂离子电池充电和电源路径管理芯片BQ24072[2]，及MITSUMI的锂电池保护芯片MM3280，共同完成电池供电，电池充电及电源路径管理功能。

BQ24072电路如图2所示。输入电流限值通过设置EN1=0，EN2=1，即通过ILIM引脚与VSS引脚间电阻进行设置。本文中R13选取1.1kΩ，则输入电流限值IINMAX=KILIM/RILIM=1610AΩ/1.1kΩ=1.5A，与外部充电器规格匹配。

电池充电电流由ISET引脚与VSS引脚之间的电阻值决定。锂电池ICR18650-26F电容量2600mAh，标准充电电流1300mA，本文中RISET由两个电阻并联，阻值分别为1kΩ和2kΩ，等效阻值约667Ω，则ICHG=KISET/RISET=890AΩ/667Ω=1.3A，满足锂电池要求。

MM3280为锂电池保护芯片，主要提供过充电和过放电保护，以及放电过电流和充电过电压保护功能。

信号调理电路在差分输入端首先设置了10mA自恢复保险丝GBX010，提供过流保护。在采样电阻与ADC之间，采用2个1k电阻，2个33nF电容和1个100nF的电容组成RFI滤波器，从而降低噪声对ADC采集的影響。

ADC转换电路中，电流经10欧姆（0.1%，25ppm）电阻采样转换为电压，以差分方式连接至AD7193[3]的差分测量输入;电流满量程规定为5mA，按照6mA进行设计，则ADC输入最大电压为60mV，通过ADC的PGA放大32倍，达到1.92V，包含在（-2.048，2.048）的ADC测量量程内，同时留有余量保证Σ-Δ ADC不易受干扰导致饱和。AD7193以1KHz的速率采样并输出数据，参考电压4.096V，由ADR392产生。MCU通过SPI口读取采样值，转换为电流值，实时发送给上位机。

功耗分析仪与上位机采用USB接口通讯。USB接口采用USB转串口的形式，通过转换芯片CH340，将USB协议转换为串口协议，然后通过磁耦ADuM3211隔离，保护功耗分析仪内部电路免受PC端高电压的破坏。USB入口处设置保护芯片PRTR5V0U2AX，对USB接口信号线提供静电保护。

MCU选用Cortex-M3内核的LPC1754，本文使用了timer、看门狗、IO、UART等资源。使用FM25L16作为掉电存储器，保存配置参数;MCU使用12.288MHz外部有源石英晶振，以生成从IO口给AD7193提供标准的4.096MHz时钟，以实现1KHz的采样速率。

3.2 软件设计

软件部分包括功耗分析仪主机中的固件程序，以及电脑上位机中的系统程序。

固件程序只有采集数据和发送两个任务，采集任务在定时器中断中进行，发送任务在主程序中进行，电流采集流程如图3所示。

功耗分析仪系统软件可以实时获得功耗分析仪中采集的电流值，点击开始通讯按钮，电流值可以实时显示于操作界面上，并实时计算当前屏上的电流最大值，最小值和平均值。软件可以对感兴趣的电流数据区域进行选择，缩放，并计算区域内的相关数据。软件可以将当前屏中的电流数据保存，在需要的时候进行回放，回放界面也支持相应的数据处理功能。系统操作界面如图4所示。

4 结论与改进

本文所研制的功耗分析仪，电流测量范围达到1uA～5mA，采样频率1kHz，电流采集精度0.2%rdg.+5dgt.，分辨率0.1uA，可不间断采集，数据存储深度高。可以看出，本文根据第2节列举的热量表功耗的特点，针对测量范围大，存储深度高，测量频率快的需求进行了针对性的设计，可以很好的适用于热量表以及其他低功耗仪器仪表的功耗检测。近些年市场上出现了一些插卡式的带阀门功能的热量表或水表，因为其内部电机的瞬时电流峰值很高且易产生强噪声等原因，目前的功耗分析仪还不能很好的适用，需要未来有针对性的进行硬件设计改进，以期对低功耗仪表检测功能更加完善。

参考文献：

[1] 热量表，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

（作者单位：天津市计量监督检测科学研究院）