Беспроводной ультразвуковой детектор утечки газа с увеличенным временем работы от батарейки

24 сентября

системы безопасностиавтоматизацияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемыисточники питаниябеспроводные технологиидискретные полупроводникисредства разработки и материалы

Texas Instruments представляет разработку системы ультразвукового датчика утечки газа с ультрамалым потреблением, автономным питанием и беспроводной связью с базовой станцией. 

Данная опорная разработка представляет собой маломощный беспроводной датчик, определяющий утечку газа путем анализа ультразвукового спектра на предмет наличия особых сигнатур. Система разработана для работы от одной неперезаряжаемой миниатюрной литиевой батареи и осуществления беспроводного обмена с базовой станцией. Это устраняет необходимость в проводном соединении и упрощает монтаж устройства. В разработке также применяется сверхмаломощный датчик уровня заряда батареи. Он необходим для точного прогнозирования ее состояния и обеспечения предварительных уведомлений о предстоящем окончании срока службы для ее плановой замены.

Особенности:

  • точный мониторинг состояния литиевой батарейки, позволяющий продлевать срок службы устройства и производить заблаговременную замену элемента питания;
  • использование нескольких доменов питания для оптимизации потребления тока;
  • режим диагностики системы для точной оценки потребляемой мощности в процессе разработки;
  • более трех лет работы при питании от миниатюрной батарейки и проверке утечки каждые 30 секунд;
  • детектирование утечки, независимо от типа газа (для срабатывания датчика не требуется достижение определенной концентрации газа).

Области применения:

  • детектирование утечки газа;
  • автоматизация зданий.

Обзор системы 

Описание системы

В рамках общепринятых подходов к обнаружению газов используются монтируемые на постоянной основе проводные газочувствительные сенсоры и портативные приборы с ручным контролем. В тех местах, куда тянуть провода слишком дорого или нецелесообразно, предпочтительна установка беспроводных устройств с периодической их проверкой. Однако традиционные газочувствительные элементы имеют нагревательный элемент, тепловыделение которого во время химической реакции с газом и замеряется. Для систем с циклическим режимом работы и питанием от небольшой батареи это непрактично из-за высокого энергопотребления нагревательного элемента и долгого времени выхода его на рабочий режим. Для достижения продолжительного срока службы батареи должен быть использован чувствительный элемент другого типа.

Ультразвуковое определение утечки является для циклических систем с малым энергопотреблением привлекательной альтернативой. Ультразвуковые датчики утечки газа не определяют присутствие газа. Вместо этого они определяют ультразвуковую сигнатуру, формируемую во время утечки газа из трубы под давлением. В то время как традиционный химический детектор утечки газа требует физического контакта с газом конкретного типа в определенной концентрации в течение некоторого периода времени, работа ультразвукового детектора не зависит от концентрации газа и позволяет определять любой его вид. Кроме того, механизм детектирования на основе ультразвука дает возможность эффективной работы в циклическом режиме благодаря способности мгновенного включения. Это избавляет от необходимости ожидания прогрева в традиционных датчиках.

Данный сенсор, разработанный для устранения регулярных ручных проверок, включается через задаваемые пользователем интервалы времени (по умолчанию 30 секунд) для проверки утечек. Такая конфигурация позволяет расширить области применения недорогого и простого в установке датчика. Каждый раз при пробуждении сенсор записывает аудиосигнал, осуществляет преобразование Фурье (FFT), анализирует полученный частотный спектр и запускает алгоритм, определяющий наличие сигнатуры утечки. Если обнаружена утечка, сенсор по беспроводному каналу подключается к базовой станции для передачи информации, и включает локальную сигнализацию. Датчик также пробуждается раз в день для соединения с базовой станцией и передачи своего состояния и состояния батареи.

Основные характеристики системы

В таблице 1 приведены основные характеристики, присущие данной системе.

Таблица 1. Основные характеристики системы

Характеристика Значение Раздел
Источник питания Одноразовая миниатюрная батарея CR2477 (номинальное напряжение 3,0 В) Управление питанием
Среднее потребление тока в активном режиме (Vin = 2,8 В), мА 4,18 Результаты испытаний
Продолжительность пребывания в активном режиме, мс 119 Результаты испытаний
Среднее потребление тока в ждущем режиме (Vin = 2,8 В), мА 0,85 Результаты испытаний
Продолжительность детектирования утечки, с 30 Описание системы
Расчетный срок службы батареи Более трех лет Результаты испытаний
Радиус обнаружения утечки, м До 8 Результаты испытаний
Форм-фактор Прямоугольная печатная плата 2,25 х 3,45 х 1,12 дюймов (57,15 х 87,63 х 28,45 мм) Разработка печатной платы

Блок-схема

Блок-схема устройства изображена на рисунке 1.

Рис. 1. Упрощенная блок-схема TIDA-01236

Рис. 1. Упрощенная блок-схема TIDA-01236

Используемые компоненты

Датчик уровня заряда батареи и мониторинга окончания ее срока службы BQ35100 представляет собой гибко настраиваемый измеритель уровня заряда батарей (в частности, неперезаряжаемых литиевых батарей), не требующий их принудительного разряда. Патентованные алгоритмы измерения TI, не нуждающиеся в оптимизации, поддерживают различные типы батарей и позволяют получать точные результаты при сверхмалом среднем уровне энергопотребления. Это достигается посредством соответствующего управления от хоста через вывод GAUGE ENABLE (GE).

Функция измерения заряда использует данные о напряжении, токе и температуре для извлечения информации о техническом состоянии (SoH) и окончании срока службы (EoS). Устройство BQ35100 потребляет мощность только на протяжении цикла сбора данных и выполнения необходимого расчета, согласно выбранному алгоритму и требуемой частоте обновлений.

Беспроводной микроконтроллер CC1310 входит в состав семейства эффективных сверхмаломощных 2.4-GHz- и Sub-1GHz-РЧ-устройств CC26xx и CC13xx. Весьма низкие уровни потребления тока активной РЧ-частью и микроконтроллером (МК) в дополнение к гибким режимам малого потребления, обуславливают отличный срок службы батареи и большой радиус действия. Данные преимущества определяют возможность питания от миниатюрных батарей, а также целесообразность применения в задачах по аккумуляции энергии.

Устройство CC1310 является первым в ряду Sub-1GHz-семейства энергоэффективных сверхмаломощных беспроводных МК. CC1310 сочетает в себе гибкий РЧ-трансивер с очень малым потреблением и мощный микроконтроллер с ядром Cortex®-M3 48 МГц на платформе, поддерживающей несколько физических уровней и РЧ-стандартов. Обособленный радиоконтроллер (Cortex®-M0) обрабатывает низкоуровневые команды РЧ-протокола, хранимые в ROM или RAM, гарантируя тем самым сверхмалое энергопотребление и гибкость управления. Малое энергопотребление CC1310 обеспечивается без снижения производительности РЧ-части; CC1310 обладает отличными показателями чувствительности, селективности и подавления..

CC1310 является высокоинтегрированным однокристальным решением, имеющим полноценную РЧ-систему и встроенный DC/DC-преобразователь. Данные датчиков могут обрабатываться с очень малыми энергозатратами благодаря автономному выделенному сверхмаломощному МК. Данный МК может быть сконфигурирован для работы с аналоговыми и цифровыми датчиками, что позволяет основному ядру (Cortex-M3) максимизировать время пребывания в спящем режиме.

Системы управления питанием и тактированием и радиосистема CC1310 требуют особой настройки и алгоритмов ПО для корректной работы. Данные алгоритмы были реализованы в TI-RTOS (TI Real-Time Operating System для микроконтроллеров). TI рекомендует пользоваться этим фреймворком при разработке ПО для всех устройств. Полноценная TI-RTOS и драйверы устройств доступны в виде исходного кода, который можно скачать бесплатно.

TLV320AIC3256 (также именуемый AIC3256) – это гибкий, маломощный, низковольтный стереоаудиокодек с программируемыми входами и выходами, возможностями PowerTune™, полностью программируемым mini DSP, предопределенными и настраиваемыми блоками обработки сигнала, встроенной фазовой автоподстройкой частоты (PLL) и гибкими цифровыми интерфейсами.

TLV320AIC3256 осуществляет захват аудиосигнала с цифрового микрофона, производит децимацию и транслирует данные хост-процессору по интерфейсу I2S. Данный подход позволяет перенести сложный для вычислительных ресурсов процесс децимации с процессора в кодек, который может выполнять данную задачу значительно эффективнее. TLV320AIC3256 поддерживает работу с несколькими каналами и имеет в составе звуковой усилитель. На основе всего одного устройства разработчик может создать сложную сенсорную архитектуру с несколькими микрофонами для обеспечения улучшенной фильтрации и получения информации о направлении. Выходные каналы могут использоваться для генерации определенного тона или для воспроизведения звука сигнализации, отличающегося от сигналов других датчиков.

Устройства TPS6107x формируют питающие напряжения для устройств, работающих от одно-, двух- и трехэлементных щелочных, NiCd- или NiMH-батарей, либо от одноэлементных Li-Ion- или Li-Po-батарей. Повышающий преобразователь основан на контроллере широтно-импульсной модуляции (PWM) с фиксированной частотой и использует синхронный выпрямитель для достижения максимального КПД. В режиме малой нагрузки TPS61070 и TPS61073 переходят в энергосберегающий режим для сохранения высокого КПД во всем диапазоне токов нагрузки. Пиковый ток повышающего преобразователя обычно ограничен значением 600 мА.

Внешний резисторный делитель задает выходное напряжение TPS6107x. Преобразователь может быть выключен для минимизации расхода заряда батареи. В выключенном режиме нагрузка полностью отключается от батареи. Устройство имеет 6-выводной тонкий корпус SOT-23 (DDC).

В семействе линейных стабилизаторов с малым уровнем падения напряжения (LDO) TPS731xx используется новая топология – проходной NMOS-транзистор, включенный по схеме повторителя напряжения. Данная топология стабильна при использовании выходных конденсаторов с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), и даже способна работать без конденсатора. Устройство также обеспечивает высокий уровень блокировки обратного тока (при его малом значении) и близкую к константе во всем диапазоне выходных токов величину тока через вывод земли.

В TPS731xx использован улучшенный BiCMOS-техпроцесс для достижения высокой точности при обеспечении очень малых значений падения напряжения и тока на землю. Энергопотребление неактивного устройства составляет менее 1 мкА, что идеально для портативных изделий. Данные стабилизаторы защищены от перегрева и имеют динамическое ограничение по току.

Силовой MOSFET-транзистор NexFET™ с N-каналом имеет допустимое напряжение 12 В и сопротивление канала 26 мОм. Он обеспечивает наименьшее сопротивление открытого канала и минимальный заряд затвора в миниатюрном корпусе. Также необходимо отметить отличные тепловые показатели при сверхнизком профиле. Пороговое напряжение «затвор-исток» VGS(th) составляет 0,8 В, что удобно для управления от микросхем с уровнями напряжения стандартной логики. В рамках данного проекта хост-процессор напрямую управляет транзистором CSD13201W10 для включения и выключения сигнализации.

Проектные требования

Управление питанием

Датчик питается от миниатюрного LiMnO2-элемента питания формата CR2477 с напряжением 3 В и емкостью 1000 мА⋅ч. В целях повышения эффективности использования батареи система должна работать максимально длительный срок до замены батареи пользователем. Однако еще более важно, чтобы в системе не было неожиданных отключений из-за разряда батареи. Один из подходов состоит в измерении потребления тока в наиболее нагруженном режиме, расчете на основании этих данных срока работы и упреждающей замене батареи во избежание перерывов в работе. Однако, при данном подходе остается неиспользованной значительная часть емкости заменяемой батареи. Кроме того, расчет времени работы в сложной системе, где потребление тока меняется в зависимости от напряжения батареи, расстояния до базовой станции, температуры, продолжительности определения утечки и многих других факторов, является непростой задачей.

Для полного использования емкости батареи и обеспечения предсказуемых окон обслуживания в системе задействован датчик уровня заряда аккумулятора BQ35100 для измерений и прогнозирования SoH (технического состояния). Улучшенный алгоритм измерения заряда, выполняемый BQ35100, включает в расчет вариации температуры, напряжение батареи, сопротивление элемента, ток нагрузки и другие параметры. Поскольку SoH измеряется на регулярной основе, система может безопасно разряжать батарею до момента замены. Система также может производить самодиагностику на предмет потенциальных проблем в случае, если батарея разряжается значительно быстрее ожидаемого.

Увеличение срока службы и извлечение информации о техническом состоянии, предоставляемой датчиком заряда, практически не повышает потребление тока системы, поскольку функционирование датчика занимает очень малую часть рабочего цикла. В данном проекте для измерения и пересчета SoH датчик включается раз в неделю на несколько секунд. Поскольку ожидаемый срок службы превышает три года, одна неделя составляет менее 1% срока службы батареи. А поскольку сообщения SoH BQ35100 отправляются при изменении показателей на 1%, пробуждение чаще раза в неделю не является необходимым. При необходимости разработчик может изменять интервал обновлений по беспроводному каналу в процессе работы. В разделе «Результаты испытаний» приведено более подробное описание характера энергопотребления.

При проведении измерений с помощью BQ35100 необходимо, чтобы батарея была отключена от нагрузки. Данное требование очень важно для корректности измерений, которая может быть нарушена, если недавно происходил значительный разряд батареи, влияющий на ее напряжение. Батареи типа LiMnO2 обладают высоким внутренним сопротивлением и большой постоянной времени переходных процессов. Когда подключается нагрузка, напряжение батареи падает из-за своего внутреннего сопротивления. По окончании разряда напряжение батареи медленно восстанавливается до уровня, соответствующего разомкнутой цепи. Для получения идеальных результатов к моменту включения датчика на измерение напряжение батареи должно иметь стабильный, установившийся уровень. Обеспечить данную стабильность можно, включая датчик заряда после наиболее продолжительного интервала отключения в цикле системы.

Сигнализация

Зуммер сигнализации имеет встроенный генератор тона и создает звук при подаче питания. Данный зуммер требует питания минимум 4 В, поэтому для него необходимо использование повышающего преобразователя. Для этого был выбран TPS61070, имеющий высокий КПД на малых нагрузках. Чтобы и другие компоненты могли использовать выход преобразователя, в данном проекте использован полевой транзистор (FET) CSD12301W10, включающий и выключающий сигнализацию. Пороговое напряжение данного FET, равное 0,8 В, является преимуществом, поскольку позволяет задействовать входы и выходы общего назначения (GPIO) процессора CC1310 для прямого управления сигнализацией.

Повышающий преобразователь также питает датчик уровня заряда батареи BQ35100. Выводы REGIN и GE (Gauge Enable) подключены к выходу повышающего преобразователя и питают датчик, когда преобразователь активен. В данной схеме система может включать и выключать датчик более низковольтным сигналом включения преобразователя. 

Аудиокодек

Аудиокодек TLV320AIC3256 требует питания 1,8 В, которое формирует LDO TPS731. Хост-процессор отключает данный LDO для сохранения энергии, когда кодек не используется. Его падение напряжения составляет 30 мВ при токе нагрузки 150 мА, что значительно превышает потребление кодека в данном проекте. Указанный низкий уровень падения напряжения важен в рамках данного проекта, поскольку система разрабатывается для работы при напряжении батареи от 2 В.

Требования к программе МК

Основной процессор и радио (CC1310) питаются от встроенного DC/DC-преобразователя, что снижает энергопотребление. Преобразователь питается напрямую от батареи, так как устройство CC1310 отвечает за контроль рабочего цикла и может перейти в режим выключения при почти полном исчерпании заряда батареи. Ток ждущего режима CC1310 с активным таймером составляет менее чем 1 мкА. Использование TI-RTOS в прошивке значительно упрощает управление питанием. При корректной настройке устройство автоматически переходит в ждущий режим, если все задачи выполнены, и периферия не используется. Необходимость в ручном управлении состоянием питания может возникнуть лишь при переходе в режим выключения.

Благодаря использованию в системе импульсных преобразователей общий уровень потребления тока повышается в процессе снижения напряжения батареи. Обработка такого поведения требует особого внимания, так как миниатюрные батареи типа LiMnO2 обладают сравнительно высоким выходным сопротивлением и большой постоянной времени переходных процессов. В ПО микроконтроллера должно быть предусмотрено исключение наложения таких переходных процессов, чтобы минимизировать наихудшую переходную нагрузку. Например, повышающий преобразователь создает бросок тока при включении, вызывающий падение напряжения на выводах батареи. Также в ПО должно быть предусмотрено, чтобы в моменты, когда напряжение батареи еще не восстановилось, не происходила радиопередача – это может вызвать преждевременное отключение.

Необходимо установить параметр BQ35100 «maxload» равным измеренной максимальной нагрузке системы при ее напряжении отключения. Данный шаг нужен для того чтобы устройство BQ35100 имело возможность корректно учитывать внутреннее падение напряжения элемента питания. По данному показателю технического состояния оценивается окончание срока службы батареи, при котором ее малое напряжение вызывает повышенное потребление тока.

Режим диагностики

Микросхема BQ35100 экономит энергию в режиме SoH посредством начального выполнения всех необходимых измерений и последующего завершения вычислений. BQ35100 также может работать в режиме аккумуляции. В этом режиме происходит непрерывное интегрирование значения силы тока, протекающего через измерительный резистор. При этом счетчик разряда должен быть включен, когда система находится под нагрузкой, чтобы точно отслеживать расход энергии. Несмотря на то, что BQ35100 не предназначен для переключения между режимами в процессе работы, система имеет команду диагностики для отладочных целей. Эта команда переключает датчик в режим аккумуляции и разрешает измерение тока. Режим аккумуляции используется для получения данных о потреблении тока в различных режимах питания детектора утечки, и быстрой оценки влияния изменений прошивки на энергопотребление. В данном режиме для обеспечения повышенного разрешения используется одноомный измерительный резистор. В рабочей конфигурации в этом резисторе нет необходимости, так как он не используется в режиме SoH. Разработчик может заменить данный компонент нулевым резистором или перемычкой.

Сбор данных

Система ультразвукового датчика утечки газа должна включать средства захвата ультразвукового сигнала. В данном проекте используется цифровой MEMS-микрофон с частотной полосой 80 КГц. На выходе микрофона формируется сигнал с плотностно-импульсной модуляцией (PDM), который должен быть децимирован перед анализом. Аудиокодек TLV320AIC3256 поддерживает цифровые микрофоны и используется для захвата звука, цифровой фильтрации и уменьшения частоты дискретизации многобитных данных с последующей их передачей в процессор CC1310 по цифровому интерфейсу I2S.

Необходимо позаботиться о том, чтобы звуковой сигнал, захваченный аудиокодеком, не потерял информацию ультразвуковых частот. Несмотря на то, что кодек поддерживает частоты до 192 кГц, его фильтры разработаны для звуковых приложений и имеют полосу 20 кГц. Настройки делителя кодека должны быть заданы так, чтобы повысить полосу пропускания фильтра. Подробное описание настроек делителя приведено в документации «TLV320AIC3256 Application Reference Guide».

Блок обработки PRB_7 кодека используется для выбора децимирующего фильтра, требующего коэффициента передискретизации (AOSR), равного 64. Таким образом, требуется значение делителя MADC, равное 2 или более. Для получения этого значения в качестве основного тактового сигнала кодека используется сигнал MCLK I2S частотой 24 МГц. После этого кодек мог бы дискретизировать сигнал с цифрового микрофона на частоте 12 МГц. Однако максимальная тактовая частота цифрового микрофона составляет 4,8 МГц. Использование выхода тактового сигнала кодека для работы цифрового микрофона будет являться несоблюдением его технических характеристик. Для решения данной проблемы кодек формирует отдельный тактовый сигнал CLKOUT из сигнала MCLK с делителем, равным 8. В результате на тактовый вход PDM микрофона подается сигнал с частотой 3 МГц. В данном режиме входной сигнал будет фактически претерпевать задержку нулевого порядка до прихода новых данных. Поскольку кодек дискретизирует отсчеты PDM-потока микрофона с большей частотой, чем они выдаются с выхода, необходимо позаботиться о том, чтобы данные с микрофона не были искажены. PDM-формат требует, чтобы микрофон переводил сигнал данных в третье состояние, когда уровень тактового сигнала соответствует другому каналу. Разработчик должен позаботиться о том, чтобы данные, формируемые микрофоном, оставались корректными в период низкого уровня тактового сигнала для успешного считывания кодеком. После того как данные с микрофона были захвачены, отфильтрованы и децимированы кодеком, выходные данные передаются CC1310 в виде 16-битных отсчетов с частотой дискретизации 187,5 кГц.

Определение утечки

Утечка газа под давлением формирует широкополосный ультразвуковой шум, улавливаемый ультразвуковым микрофоном. В данном проекте для анализа частотного спектра используется БПФ на 1024 отсчета с фиксированной точкой. В алгоритме определения утечки принимается, что уровень фонового ультразвукового шума является неизменным. Данное допущение основано на результатах измерений в тестовой среде. В процессе инициализации датчик определяет базовый уровень ультразвукового шума для каждой дискреты частоты путем усреднения нескольких отсчетов. Также считается, что при первом включении датчика утечки отсутствуют. В ПО устройства реализована команда сброса базовых уровней для обеспечения возможности подстройки в случае, когда уровни фонового шума меняются со временем.

Во время работы датчик вычитает эту базу из отсчетов БПФ для расчета разностной интенсивности. Полученная разность затем интегрируется в пределах 35…65 кГц. Результат интегрирования сравнивается с пороговым уровнем. Если три последовательных измерения превышают этот порог, сенсор определяет утечку. На основе этой же платформы могут быть разработаны более совершенные алгоритмы фильтрации и детектирования. 

Беспроводной обмен

В процессе штатной работы система минимизирует энергопотребление посредством передачи своего состояния лишь раз в день. Когда определяется наличие утечки или ее исчезновение, система немедленно отсылает уведомление на базовую станцию. Радио на некоторое время выключается, при этом датчик не может быть использован для ретрансляции пакетов в ячеистой сети. Используется топология сети «звезда» с одиночной базовой станцией, поскольку она не требует, чтобы радио оставалось во включенном состоянии, и для нее нужно разработать только один узел другого типа, который и будет являться базовой станцией.

Всякий раз, когда узел датчика отправляет пакет хосту, узел оставляет окно для ответа хоста. Узел производит указанное количество повторных попыток отправки перед возвращением к штатному функционированию, чтобы убедиться, что хост доступен и сможет получить команду. Ответ хоста сигнализирует узлу либо о возвращении к нормальному режиму работы, либо об ожидании следующих команд. Несмотря на то, что хост не может обмениваться данными с выключенным узлом по своей инициативе, он будет иметь возможность двунаправленного обмена раз в день либо всякий раз при возникновении утечки. Пользователь при необходимости может установить более короткие интервалы обмена. 

Разработка прошивки

Прошивка системы была разработана, собрана и загружена с использованием программы Code Composer Studio™ (CCS) от TI. Прошивка включает TI-RTOS и задействует драйверы CC1310 производства TI везде, где это возможно. Для эффективного удовлетворения вычислительных требований датчика достаточно одного потока, поэтому дополнительные потоки не создавались. Этот одиночный поток работает на основе таймеров, контролируя процессы распознавания, измерения и РЧ-коммуникации.

Для удобства внесения изменений реализация отдельных функций датчика разнесена по программным модулям. Отдельные подсистемы абстрагированы в качестве устройств так, что основной код не зависит от устройств, операционной системы или даже физической реализации системы. Например, ведущая система коммуникации реализована на основе пакетов, передаваемых через последовательное соединение. Она поддерживается беспроводным протоколом, но может быть заменена последовательным портом или иным коммуникационным интерфейсом в рамках другого проекта. Аналогичным образом каждая подсистема поддерживается портативными драйверами устройств. Эти драйверы реализуют обмен и управление аппаратной частью, дополняя функционал системы. В свою очередь, драйверы собраны на основе набора периферийных драйверов CC1310. Прикладные программные интерфейсы (API) к этим драйверам могут быть реализованы для другого устройства, если есть необходимость портирования.

На рисунке 2 показана архитектура прошивки датчика.

Рис. 2. Архитектура прошивки

Рис. 2. Архитектура прошивки

Разработка печатной платы

Размеры печатной платы составляют 2,25 х 3,45 х 1,12 дюймов (57,15 х 87,63 х 28,45 мм) и обусловлены решением о размещении всех компонентов на верхнем слое, включая монтаж зуммера на плате. Такая топология упрощает монтаж и не требует внешнего конструктива для крепления зуммера. На рисунке 3 показана схема размещения компонентов платы.

Рис. 3. Размещение компонентов печатной платы

Рис. 3. Размещение компонентов печатной платы

Испытания и результаты

Испытания системы были разделены на две категории: по потреблению тока и по определению утечки. Поскольку датчик работает в циклическом режиме с конфигурируемыми интервалами, энергопотребление измерялось для каждого из рабочих режимов. 

Испытательный стенд

Испытательный аппарат утечки был создан для ее имитации и последующего определения (рисунок 4). Данный аппарат состоит из небольшой трубы, соединенной с регулятором давления, манометром, шаровым клапаном и набором заглушек для конца трубы. В каждой заглушке было просверлено небольшое отверстие для повторяемой имитации утечки (рисунок 5). Аппарат был подключен к системе со сжатым воздухом. Ввиду направленного характера имитируемого дефекта все испытания проводились с утечкой, направленной в сторону датчика.

Рис. 4. Аппарат для имитации утечки

Рис. 4. Аппарат для имитации утечки

Рис. 5. Заглушка с отверстием для испытаний на утечку

Рис. 5. Заглушка с отверстием для испытаний на утечку

Данные собирались в тихой комнате с использованием датчика, находящегося в режиме диагностики, в котором он передавал на ПК для анализа исходный аудиопоток, выход БПФ и измеренную интенсивность. Для фильтрации шума было собрано 10 аудиосэмплов для каждой дистанции, давления и размера отверстия. В последующем анализе использовалась средняя интенсивность утечки по этим десяти сэмплам.

На основе полученных результатов порог определения утечки был установлен на уровне относительной интенсивности, равной 500. Затем был измерен радиус срабатывания датчика при трех разных значениях давления. Данный тест проводился в большой комнате лаборатории с умеренным фоновым шумом и наличием различного работающего оборудования. К аппарату подключалась заглушка с отверстием диаметром 0,53 мм. После того как датчик включился и определил базовый уровень окружающего шума, была активирована тестовая утечка. После этого датчик постепенно отдалялся от испытательного аппарата до тех пор, пока не переставал определять утечку. В этот момент фиксировалось полученное расстояние. Данное испытание было проведено для трех различных значений давления.

Для измерения энергопотребления системы прошивка датчика включает команды диагностики для принудительного перевода в особый режим работы на необходимое количество времени. Эти команды использовались для циклического прохода по режимам при измерении потребления тока с помощью мультиметра. Потребление тока измерялось при двух различных напряжениях. Для расчета среднего тока также измерялась длительность каждой операции. 

Результаты испытаний

На рисунках 6, 7 и 8 показана, соответственно, средняя интенсивность утечки, зафиксированная датчиком при вариации давления, диаметра отверстия и расстояния до источника. На рисунке 9 показана максимальная дальность определения утечки при различных значениях давления в испытательном аппарате.

Рис. 6. Зависимость относительной интенсивности утечки от давления

Рис. 6. Зависимость относительной интенсивности утечки от давления

Рис. 7. Зависимость относительной интенсивности утечки от диаметра отверстия

Рис. 7. Зависимость относительной интенсивности утечки от диаметра отверстия

Рис. 8. Зависимость относительной интенсивности утечки от расстояния

Рис. 8. Зависимость относительной интенсивности утечки от расстояния

Рис. 9. Зависимость максимальной дальности определения утечки от давления

Рис. 9. Зависимость максимальной дальности определения утечки от давления

Потребление тока в активном режиме (IACTIVE) измерялось при входных напряжениях (VIN) системы 2,8 и 1,8 В. В таблице 2 приведены длительность и периодичность операций с результатами расчета среднего тока.

Таблица 2. Потребление тока

Режим питания IACTIVE при
VIN = 2,8 В, мкА
IACTIVE при
VIN = 1,8 В, мкА
Продолжитель-
ность, мс
Периодич-
ность
IAVERAGE при VIN = 2,8 В, мкА IAVERAGE при VIN = 1,8 В, мкА
Захват звука 6700 5850 36 30 с 8,04 7,02
Расчет БПФ 3090 5010 83 30 с 3,71 6,02
Радиоприем 6550 10730 100 1 неделя 1,08 0,00177
Радиопередача 13230 21710 40 1 неделя 0,00875 0,00144
Повышающий преобразователь и датчик заряда включены 123 140 2100 1 неделя < 0,001 < 0,001
Сон 0,85 1,3 0,85 1,30

Файлы проекта

Для загрузки схемы и перечня элементов (BOM) перейдите к файлам проекта по ссылке: TIDA-01236.

Рекомендации по трассировке печатной платы

Следовать отдельным рекомендациям по трассировке цепей каждого компонента необходимо. В данном проекте используются четыре слоя для минимизации шума в чувствительных цепях системы. Микрофон и кодек расположены каждый на своем плане земли для минимизации шумов звукового сигнала. Повышающий преобразователь также имеет свой слой земли для защиты остальной системы от его шума. Трассировка преобразователя производилась с использованием, по возможности, наиболее коротких проводников для минимизации электромагнитной интерференции (EMI) от импульсов. Датчик заряда батареи имеет свой слой земли для обеспечения чистоты измерений даже при работе остальных элементов. Для минимизации шума проводники измерительного резистора были выполнены в виде дифференциальной пары. TI рекомендует применение фильтрующей цепи для измерительного резистора в задачах, где наиболее важным является точное измерение тока. Подробно об этом вы можете прочитать в материале «BQ35100 Lithium Primary Battery Fuel Gauge and End-Of-Service Monitor».

Для загрузки проводящих рисунков слоев, скачивания файлов проекта Altium, загрузки Gerber-файлов, скачивания монтажных чертежей проекта и загрузки ПО перейдите по ссылке.

Дополнительные документы

  1. bq35100 Technical Reference Manual, Texas Instruments.
  2. TLV320AIC3256 Application Reference Guide, Texas Instruments.
  3. CC13x0, CC26x0 SimpleLink™ Wireless MCU Technical Reference Manual, Texas Instruments.
  4. CC26x0, CC13x0 SimpleLink™ Wireless MCU Power Management Software Development Reference Guide, Texas Instrumens.

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Семенов по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
BQ35100PW (TI)
BQ35100PWR (TI)
CC2650MODAMOHR (TI)
CC2650F128RGZT (TI)
CC2650F128RHBT (TI)
CC1310F128RGZT (TI)
CC1310F128RHBT (TI)
CC1310F128RHBR (TI)
TLV320AIC3256IRSBR (TI)
TLV320AIC3256IRSBT (TI)
TLV320AIC3256IYZFR (TI)
TPS61070DDCR (TI)
TPS61071DDCR (TI)
TPS61071DDCRG4 (TI)
TPS73101DBVT (TI)
TPS73133DBVT (TI)
TPS73131DBVRG4 (TI)
CSD13201W10 (TI)
TPS61070DDCRG4 (TI)
TLV320AIC3256IYZFT (TI)