基于PAC1921的寬范圍高端電參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王元月,王 紅,應(yīng)金堂

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 紹興 312000; 2.上海利正衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)有限公司，上海 200000)

基于PAC1921的寬范圍高端電參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王元月1,王 紅2,應(yīng)金堂1

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 紹興 312000; 2.上海利正衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)有限公司，上海 200000)

針對電源管理、工業(yè)自動化等自動控制領(lǐng)域?qū)Ω叨穗妳?shù)檢測精度高、范圍寬的要求，設(shè)計(jì)了一個基于PAC1921高端電流功率傳感器的寬范圍高端電參數(shù)檢測系統(tǒng);該系統(tǒng)根據(jù)測量結(jié)果自動對增益進(jìn)行配置，使測量檔位的測量范圍與實(shí)際值匹配，從而保證設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)具有寬的測量范圍的同時能夠保證測量精度;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能對高端0～20 A，0～32 V，0～640 W范圍的電參數(shù)進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，精度高，可以為高端寬范圍的電參數(shù)測量提供參考，具有一定的使用價(jià)值。

PAC1921；高端；電參數(shù)；寬范圍

0 前言

很多電路系統(tǒng)都需要對電流、電壓和功率等電參數(shù)進(jìn)行檢測，尤其是對工作電流的監(jiān)測。低端電流檢測與高端電流檢測電路相比較而言較為簡單，但是有些故障只能高端檢測電路才能檢測到，低端電流檢測電路無法檢測到，而這些故障往往讓電路系統(tǒng)處于危險(xiǎn)的狀態(tài)[1]，因此對高端電流檢測是必要的，高端電流檢測是檢測電源端的電流，這樣能提高后續(xù)回路的故障檢出率，能更好的對電路系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)[1-3]。特別是在電源管理、工業(yè)自動化等諸多自動控制應(yīng)用中，對高端電流的檢測是一種廣泛的需求，而且在這些應(yīng)用中，對高端電參數(shù)檢測要求精度高，范圍寬[4]。因此設(shè)計(jì)了一種利用PAC1921電流功率傳感器實(shí)現(xiàn)對高端電流、電壓和功率進(jìn)行檢測的系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測范圍寬，且精度高。

1 高端電流的檢測原理

電流檢測的方法通常是在被測電路中插入一個電流采樣電阻，被測電流流過采樣電阻會產(chǎn)生壓降，如果檢測出電阻兩端的電壓就可以計(jì)算出被測電流的大小。由于電流采樣電阻值較小，因此采樣電阻兩端的壓降也很小，需要經(jīng)過放大器進(jìn)行放大輸出給后級電路[5]。

圖1是最常用的利用差分輸入的高端電流檢測電路，電流采樣電阻放在系統(tǒng)電源和負(fù)載之間，因此它對電流的變化更加敏感，而且也不給地線回路增加額外阻抗，對系統(tǒng)地添加了免干擾功能，這項(xiàng)技術(shù)提高了整個電路的性能。電路中，電流流過采樣電阻，在電阻上產(chǎn)生的電壓差作為差分放大器的輸入，放大后將信號電平從高端移位到參考地。高端電流檢測電路需要使用低輸入偏移電壓以及高共模抑制比的精密運(yùn)算放大器和高精度的電阻電容器件，以此來降低電流檢測誤差。

圖1 差分輸入的高端電流檢測電路

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由高端電流功率傳感器，單片機(jī)和上位機(jī)構(gòu)成，高端電流功率傳感器采集的高端電流、電壓以及功率信號通過SMBus總線傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)再將這些信號通過RS485串口上傳到上位機(jī)顯示。電流、電壓和功率信號的采集使用美國微芯公司新推出的全球第一款模擬和數(shù)字相結(jié)合的PAC1921芯片，主控器采用具有高速、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)的的單片機(jī)STC12C5620AD。

2.1 高端電流功率傳感器PAC1921

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，很多公司推出了多種集成電流檢測芯片，其內(nèi)部包含了完成高端電流檢測的所有功能單元，包括精密運(yùn)放和匹配度很好的電路。

PAC1921是支持?jǐn)?shù)字輸出和可配置模擬輸出的高端電流功率傳感器，它提供3種測量方式，除了能對電流、功率進(jìn)行測量外，對電壓信號進(jìn)行測量，它采集的電流、電壓和功率信號通過與I2C總線兼容的SMBus總線輸出，也可以通過OUT引腳輸出模擬信號。PAC1921內(nèi)部功能框圖如圖2所示，其內(nèi)部包含一個電流差分放大器、寄存器、11/14位二階Δ-ΣADC、10位DAC和數(shù)字接口等部分，差分電流放大器輸入范圍0-100 mV，共模電壓可到32 V，器件內(nèi)部配備的39位累加寄存器和增益可控的放大器，電流增益有8個檔位可選，最大為128倍，電壓增益有6檔，最大為32倍，這使得它在不改變采樣電阻值的情況下能測量寬范圍的電流、電壓及功率信號。

圖2 PAC1921的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6]

2.2 檢測電路的設(shè)計(jì)

采用高端電流功率傳感器PAC1921，只需要外圍少量的元器件就可以實(shí)現(xiàn)對電流、電壓和功率的精確的檢測。為了去除電源高頻噪聲的干擾，在電源引腳處設(shè)計(jì)了截止頻率2 kHz左右的RC低通濾波器，由于PAC1921可以支持3～5.5 V的供電電壓，給RC低通濾波器的設(shè)計(jì)帶來了非常大的便利，RC低通濾波器設(shè)計(jì)如下：

(1)電阻的選擇：由于VDD的供電電壓可以在3～5.5 V之間，并且整個PAC1921的耗電電流最大值不超過10 mA，因此設(shè)計(jì)了低通濾波器的電阻R1=100歐姆，R1上的最大壓降不超過1 V，設(shè)計(jì)中VCC為5 V電壓，所以給芯片供電的電壓是4 V左右，滿足芯片的工作要求。根據(jù)以上計(jì)算最后選取100歐姆1/8 W的貼片電阻。

(2)電容的選擇：根據(jù)設(shè)計(jì)要求截止頻率為fc=3 kHz，RC低通濾波器的頻率計(jì)算如式(1)所示，

fc=1/(2πRC)

(1)

由式(1)可推導(dǎo)出濾波電容：

C=1/(2πRfc)

(2)

將截止頻率fc=3kHz帶入式(2)，可求出濾波電容值。

C=1/(2πRfc)=1(2*π*100*3000)≈0.53 μF

根據(jù)以上計(jì)算最后選取了1uF16V的鉭電容，為了增加濾除高頻噪聲的效果，在此電容上再并上0.1uF16V的鉭電容。

為了盡量減少電路噪聲的影響，在PAC1921的模擬輸出引腳和接收ADC之間也采用RC濾波器。SMBus總線時鐘引腳SM_CLK和數(shù)據(jù)傳輸引腳SM_DATA根據(jù)協(xié)議的接12kΩ的上拉電阻。

圖3 PAC1921檢測電路

檢測電路中的采樣電阻選用的是合金電阻，它比傳統(tǒng)的電阻的精度高，溫度系數(shù)TCR低，甚至可以低至±5PPM/℃，這就避免了電阻因電路工作時發(fā)熱引起溫度的變化對測量精度的影響。而且合金電阻可通過較大的電流，在大電流采樣中能承受相當(dāng)強(qiáng)度的沖擊。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流檢測范圍是0～20A，而PAC1921的電流差分放大器的輸入的電壓最大是100mV，計(jì)算采樣電阻：

RSENSE=0.1 V/20 A=0.005 Ω

將計(jì)算出的采樣電阻值乘以0.8的裕量系數(shù)，因此檢測電路選用0.004 Ω的合金采樣電阻，該電阻TCR為10 PPM/℃，功率為4 W，電阻精度為0.1%。將采樣電阻接在電源和負(fù)載之間，它將被測電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，該信號輸入到芯片內(nèi)部的差分電流放大器，信號增益可編程選擇，有8個不同的增益，最大增益為128倍，可以根據(jù)不同的輸入選擇合適的電流增益，這就保證了寬范圍的檢測精度。電壓的測量增益分為6檔，電流電壓增益的選擇如表1所示。

表1 電流電壓增益選擇

2.3 主控模塊設(shè)計(jì)

主控制模塊主要由控制器和通信模塊構(gòu)成，其系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。主控模塊采用具有高速、低功耗和抗干擾超強(qiáng)特點(diǎn)的單片機(jī)STC12C5620AD，它對于要求運(yùn)算速度快、高速通信和抗干擾能力強(qiáng)的場合特別適合。在主控單元模塊電路中，以STC12C5620AD單片機(jī)為核心，同時通過485 串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將測量的信號送到上位機(jī)顯示。

圖4 主控模塊電路

2.4 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)根據(jù)測量結(jié)果自動對增益進(jìn)行配置,使測量范圍與實(shí)際電流匹配,從而保證設(shè)計(jì)的檢測電路具有寬的測量范圍的同時能夠保證測量精度，電流測量范圍0～20 A，電壓范圍0～32 V，功率范圍0～640 W。程序流程圖如圖5所示，單片機(jī)定時讀取采集信號值，根據(jù)采集數(shù)據(jù)結(jié)果判斷當(dāng)前電流電壓范圍，以此確定合適的增益。

圖5 程序流程

程序初始化工作主要是對PAC1921高端電流傳感器的參數(shù)進(jìn)行配置。PAC1921里包含一個寄存器，可以通過SBus總線通信設(shè)置參數(shù)，以此來選擇該芯片的工作方式。在增益配置寄存器里可以設(shè)置電流電壓信號采集的ADC位數(shù)以及電流電壓的增益，可通過樣本寄存器配置寄存器設(shè)置電流電壓樣本數(shù)量。初始化程序?qū)DC采樣率配置成14位，采用后置濾波器以提高信號質(zhì)量；將樣本數(shù)設(shè)置為1024個。

PAC提供三種測量模式，在電流測量模式下，ADC采集電流樣本值并累加到25位寄存器中，每個累加周期完成后自動求取平均值并存入寄存器中的前10位，電壓測量模式跟電路測量模式類似，同樣會將電壓樣本值累加到25位寄存器中，累加周期完成后自動求取平均值存入16位寄存器的前10位，而功率值累加寄存器為39位。如果電流或者電壓增益設(shè)置過高時，累加器會溢出，這時芯片內(nèi)部寄存器的電流或者電壓溢出標(biāo)志位會被置1，結(jié)果寄存器會被設(shè)置為最大值，那么在SMBus模式，改變增益選擇，檢查結(jié)果直到一個有效的增益被選中。

PAC921芯片與主控器通過SMBus通信，SMBus與I2C是兼容的，它是一個計(jì)算機(jī)主機(jī)與外圍設(shè)備之間的雙線串行通信協(xié)議。pac1921 SMBus地址位是7位，地址后面是RD/WR指示位，如果RD/WR位為邏輯“0”，SMBus寫數(shù)據(jù)到客戶端設(shè)備。如果RD/WR位為邏輯“1”，SMBus從客戶端讀取數(shù)據(jù)，pac1921 SMBus地址是由第6引腳ADDR_SEL的電阻接地確定的，電路中電阻采用120Ω，pac1921SMBus地址被確定為1001101。圖6是寫一個字節(jié)到寄存器的通信協(xié)議，圖7是從寄存器中讀取一個字節(jié)的通信協(xié)議。

STARTSlaveAddressWRACKRegisterAddressACKRegisterDataACKSTOP1→0YYYY＿YYY00XXh0XXh00→1

圖6 寫通信協(xié)議

圖7 讀通信協(xié)議

3 系統(tǒng)測試分析

為了說明該檢測系統(tǒng)的有效性，將各部分電路整合后充分地測試系統(tǒng)的性能。PAC1921傳感器將電流、電壓及功率信號采集后送給單片機(jī)處理再送到上位機(jī)顯示，系統(tǒng)對全量程范圍內(nèi)的信號進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果如表2所示，在整個測量范圍內(nèi)，能保證電流、電壓和功率的測量精度。當(dāng)被測電流低于195mA以下，增益選擇最大128；當(dāng)被測電流超過12.5 A，增益選擇最小值1。被測電壓范圍是0～1 V時，增益選擇最大值32；當(dāng)超過16 V時，增益選擇最小為1。當(dāng)被測電流達(dá)到20.01 A時，上位機(jī)顯示錯誤表示超出范圍，當(dāng)被測電壓要達(dá)32.02 V時，上位機(jī)顯示錯誤表示超出范圍。

表2 檢測結(jié)果

4 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足寬范圍電參數(shù)測量的需要，具有較好的實(shí)時性，測量精度高，ADC選擇14位的分辨率，電流電壓誤差小于0.1%，功率誤差小于0.2%，且數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，上位機(jī)能穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)。使用PAC1921高端電流功率傳感器來對高端電信號進(jìn)行檢測的方法可以為寬范圍電參數(shù)測量提供參考，具有使用價(jià)值。

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[2] 姜 霞,年曉紅,宋學(xué)瑞.多通道高精度電壓電流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2014,38(9):1706-1709.

[3] 楊 陽.基于微處理器的多點(diǎn)電流信號采集及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2016,24(5):223-225.

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[5] 曲光陽.吳曉波髙精度高邊電流檢測放大器的研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2008,25(11):1-4.

[6] PAC1921 High-Side Power/Current Monitor with Analog Output[EB/OL]. http://101.96.10.65/ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/cn571514.pdf,2016.

Design of Wide Range High-side Electric Parameter Detection System Based on PAC1921

Wang Yuanyue1, Wang Hong2, Ying Jintang1

(1.Mechanical&Electrical Engineering College, Shaoxing Vocational&Technical College, Shaoxing 312000, China; 2.Shanghai LiZheng Satellite Application Technology Co.,Ltd., Shanghai 200000, China)

Considering the actual demand of power management and industrial automation，the electric parameter detection system based on PAC1921 high-side current/power sensor was designed. The measurement results are automatically configured to match the measuring range and the actual value, so that the design of the detection system has a wide measurement range and can ensure the measurement accuracy. The experimental prove the system can measure the value of 0-20 A current, 0-32 V voltage and 0-640 W power and the data acquisition is stable and it has high measurement accuracy. The system can provide a reference for the wide range of electrical parameters measurement and it has a certain reference value.

PAC1921; high-side;electrical parameters; wide range

2016-11-22；

2016-12-15。

王元月(1977-)，女，貴州畢節(jié)人，碩士，講師，主要從事電源技術(shù)及智能控制方向的研究。

1671-4598(2017)05-0045-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.014

TM930

A