Вольт-Амперметр на INA233 и Arduino как монитор для лабораторного БП

Схема представляет собой цифровой монитор тока и напряжения с вычислением мощности и заряда в Ампер-часах.

Устройством измерения выступает микросхема INA233 производства Texas Instruments. На сайте производителя она позиционируется как 16-битный, ультра прецизионный монитор тока/напряжения/мощности/энергии с I²C протоколом связи, поддержкой команд управления источниками питания PMBus и с независимым выходом сигнализации аварийных ситуаций.

Технические характеристики устройства:

• Измерение тока в диапазоне: 0÷3,2А с разрешением 1мА (при R_SHUNT  = 25мОм)
• Измерение напряжения в диапазоне: 0÷36В с разрешением 1мВ
• Расчет мощности в диапазоне: 0÷100Вт с разрешением 1мВт
• Расчет заряда аккумулятора в диапазоне: 0÷100А⋅ч с разрешением 1мА⋅ч

Основное назначения микросхемы - следить за параметрами некоторой пользовательской шины питания постоянного тока, по запросу отдавать измеренные параметры микроконтроллеру и при выходе величин за установленные пределы подавать сигнал «Alert».

Непосредственно измеряемые параметры - это напряжение шунта (V_IN+ – V_IN–) и напряжение шины (V_BUS) , которые не должны превышать ±81,92мВ и 36В соответственно.

Для установки правильного диапазона измерений сопротивление шунта устанавливается как R_SHUNT = 81,92 (мВ) / I_MAX (мА).

Например, для моего случая: R_SHUNT = 81,92 (мВ) / 3200 (мА) = 25,6мОм ≈ 25мОм

При этом рассеиваемая мощность при номинальном токе составит P = U⋅I = 81,92 (мВ) ⋅ 3200 (мА) ≈ 0,262 Вт что не превышает допустимые 1Вт для корпуса SMD 2512.

Для расширения диапазона при измерении напряжения шины (V_BUS) может быть использован резистивный делитель, при этом коэффициент деления необходимо будет учесть в программе микроконтроллера.

Дополнительно стоит учесть, что напряжение на шунте измеряется как дифференциальное значение, то есть может быть как положительным, так и отрицательным, а напряжение шины измеряется относительно общего проводника и может иметь только однополярное значение.

В моей реализации мозгом устройства выступает плата Arduino Nano c микроконтроллером ATmega328P. Человеко-машинный интерфейс - это экран OLED 2,42″ на контроллере SSD1309 и кнопка для спроса накопленных показаний мА⋅ч.

Данные на дисплей передаются по протоколу SPI, для этого кроме стандартной библиотеки SPI.h так же подключается сторонняя для Arduino IDE библиотека U8g2lib.h, она позволяет работать с большим количеством дисплеев в том числе и с контроллером SSD1309 на 128x64 точки. У нее имеется весьма обширный репозиторий на GitHub, а также огромное количество шрифтов с возможностью дополнительной установки, в том числе кириллических. Устанавливается она через менеджер библиотек Arduino IDE «U8g2 by oliver». И хотя она занимает просто огромное количество места что в памяти программ, что в динамической памяти, для меня работа с дисплеями это один из тех случаев, когда писать свою библиотеку с набором шрифтов ну совсем не целесообразно.

Модуль INA233 представлен отдельной схемой и выполняется на миниатюрной плате, расположение выводов аналогично модулю INA226, но из-за применения протокола PMBus обмен данными у них будет немного отличаться. Главное отличие - это последовательность байт при передаче данных. Если по стандарту для I2C при передачи двухбайтового числа первым принято передавать старший байт, а затем младший, то для PMBus эта последовательность заменена на обратную. Адрес устройства установлен резисторами R4, R9 в 0x40.

Упрощенный протокол инициализации и обмена данными с INA233 выглядит так:

1. Передаем значение в регистр конфигурации АЦП (MFR_ADC_CONFIG [0xD0])

Начало передачи I2C Master Output Slave In + адрес устройства I2С + пакет данных.

Состав пакета: [адрес устройства] [адрес регистра, младший байт данных, старший байт данных]

Пакет целиком (мой вариант конфигурации): [0x40][0xD0, 0xFF, 0x45]

Расшифровка:

• Режим усреднения по 16-ти точкам;
• Время преобразования при измерении напряжения шины 8.244мс;
• Время преобразования при измерении напряжения шунта 8.244мс;
• Режим работы – непрерывное измерение тока и напряжения.  

2. Передаем значение в регистр калибровки АЦП (MFR_CALIBRATION [0xD4])

Состав пакета: [адрес устройства] [адрес регистра, младший байт данных, старший байт данных]

Пакет целиком (мой вариант калибровки): [0x40][0xD4, 0x00, 0x08]

Расшифровка:

MFR_CALIBRATION = 0,00512/(Current_LSB⋅R_SHUNT), где Current_LSB = 1-LSB Shunt voltage / R_SHUNT = 2,5мкВ/25мОм = 0,1мА,

тогда MFR_CALIBRATION = 0,00512/(0,1мА⋅25мОм) = 2048 (0x0800).

При таком значении регистра калибровки INA233 будет отдавать значение 32767 при I_MAX = 3,2767А, значит для правильного отображения тока в мА необходимо будет разделить в МК данные с АЦП на 10.

Второй путь, это запись в MFR_CALIBRATION 2048/10 ≈ 205 (0x00CD), тогда данные будут сразу в мА.

Для обоих вариантов значение регистра калибровки может быть дополнительно уточнено пользователем с использованием прецизионного измерительного оборудования.

3. Чтение в цикле значений тока и напряжения

- Напряжение, PMBus команда 0x88

- Ток, PMBus команда 0x89

Состав запроса: [адрес устройства][команда]

Состав ответа: [адрес устройства][младший байт данных, старший байт данных].

Пример: запрос [0x40][0x88]; ответ [0x40][VoltageLowByte, VoltageHighByte]

По протоколу обмена это все, «Alert» в моем варианте не задействуется, хотя аппаратно такая возможность остается. Дополнительные пояснения можно найти в моих комментариях в исходном коде.

В особенностях схемы стоит отметить возможность измерять параметры USB устройств, источник питания подключается к разъему USB1, а приемник к USB2, при этом должен быть установлен джампер P5 (в остальных случаях измерения джампер должен быть снят).

Для защиты от обратной полярности на входе V_BUS установлен MOSFET Q1. Эта схема имеет ряд недостатков из-за ограничения среднестатистических P-канальных транзисторов по напряжению Gate-Source порядка -20В. Это проблема может быть преодолена установкой стабилитрона на напряжение менее 20В и резистора в цепь затвора. Тем не менее, при напряжениях менее 1В показания вольтметра с защитой могут быть искажены из-за возрастающего сопротивления канала с учетом того, что входное сопротивление АЦП по линии V_BUS составляет 830кОм.

Один из вариантов решения проблемы - это отказ от этой защиты при стационарной установке в качестве монитора параметров однополярного БП.  

Схемотехника модуля INA233 выполнена в соответствии с рекомендациями производителя. Подключение к шунту выполнено по «Кельвин» соединению см. рис. с.)

По итогам тестирования разработанный вольтамперметр показал весьма приличную точность во всем диапазоне измерений. В качестве образца при этих испытаниях выступал мультиметр UNI-T UT61E. Он, конечно, не может являться эталонным измерителем т.к. не поверяется, но тем не менее крупными мазками показать результат работы может. Для любительских приложений этого достаточно с головой.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Arduino
• LCD
• Микроконтроллер
• AVR
• Вольтметр
• Амперметр