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#第四届立创大赛#基于微信小程序的BLE低功耗动态电流分析仪

创建时间:2年前

项目主题:IoT(物联网)

描述

<p>注:*为必填项。</p> <p>【请在报名阶段填写 ↓】 *  简要介绍作品:        本作品采用微信小程序作为APP,以手机屏幕作为终端显示低功耗动态电流波形。APP集成了电流量程切换、采样周期设置、动态触发模式、动态校准、运行/停止模式、缩放控制、波形数据保存、蓝牙自动重连接、自动休眠(AUTO POWER OFF)、低电量报警等功能。本电流分析仪采用TI的CC2640的BLE方案,对动态的低功耗电流进行高精度测量,电流量程覆盖nA、uA、mA,mA档测量误差控制在±1%之内、uA档误差在±1%以内,nA档误差在±45nA以内,采样周期有5ms、50ms、500ms、5s等档位。电流仪配备1800mah的电池,全速运行电流约为<strong>3.5ma</strong>工作时间将近500小时左右,自动休眠的运行电流约为<strong>170uA</strong>休眠待机时间可达10000小时左右,关机的运行电流为0uA,锂电池可以反复充电约800次。</p> <p>【请在竞赛阶段填写 ↓】  一、作品详情      1.本APP是基于微信小程序,采用WX-CHARTS绘图架构的低功耗蓝牙运用,主要页面如下:  <img src="//image.lceda.cn/pullimage/kqVfTi0a8E5chpIcqJuh7EcNlM8ehD1TL7zE4968.jpeg" alt="welcome1.jpg" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/YuZoVG32p3r8h1ckOBQ17ZkQ154sZoIWrQzgf9cZ.jpeg" alt="connect1.jpg" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/yCT62aSsQXkQR6C7rUBl5xM4QGlu6a8au35lIOqA.jpeg" alt="show1.jpg" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/6oUrAVNMi8sTs8guWCL18TY5tXXvBbU1ORXsARVo.png" alt="SET.png" />    欢迎页面:    点击相应的小程序后进入该页面、5S后自动跳入连接页面;    连接页面:    连接电流分析仪的BLE设备,连接成功后可以保存到已配对设备,下次可直接从欢迎页面跳入显示页面;    显示页面:    电量指示、连接状态指示、缩放控制、波形显示区、采样频率设置、采样量程切换、RUN/STOP模式、SIMGLE模式、触发菜单;    触发页面:    设置触发的采样周期、采样幅度、触发方式、触发变量、动态校准变量(APP可以对分析仪上传的ADC值进行动态补偿)等参数。 2.使用简介     ~~~~用前准备:      把红黑表笔插入电流分析仪表面相应的铜孔,表笔笔尖接好鳄鱼夹,把两个鳄鱼夹分别串入需要测量电流的导线中,把电源推钮打到ON,打开手机蓝牙、扫描相应的小程序码并进入连接页面、搜寻MCURRENT_XXXXXXXXX设备,有发现设备点击连接,进入显示页面。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/pGZTeUsW1E7lxDYU3Sq2dLEYT9li5LYqjtTK67A1.png" alt="USED.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/GQ5zmv78TFb6rf6CH8w76Zwivie0aP8QtDgD09pr.png" alt="USING.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/EjvMCtdgqC6fHiiBmGKSkF77nXtZeU8pFJy0UAk1.png" alt="CONNECT.png" />     正常模式:       进入连接页面后,点击按钮选择相应的采样周期、电流量程,电流的波形就直接显示在手机显示屏,电流的大小(平均值)显示在波形显示区的底部,按下RUN/STOP键且该键变红时波形暂时停止更新当前显示电流波形,可以按OS的保存截屏的方式保存电流波形以供后期查阅对比,再次按下RUN/STOP且该键变绿继续更新新的电流波形,按下波形显示区的顶部的+、-键可以实现缩放调整。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/33geEuZ2o3VQZ3oG09NBCEwriCJnDBOXoITWRFtI.png" alt="NORMAL.png" />     触发模式:    点击触发菜单按钮后进入触发页面,选择相应的触发的采样周期、采样幅度、触发方式、触发数值等参数,退回连接页面,按下SIMGLE键,如果出现满足触发条件的数据,波形会直接显示在波形显示区,样式如下图显示  <img src="//image.lceda.cn/pullimage/qPEbmsTdOwgHqzi9aa4NZr2FCtCafq3COYcc3MLJ.jpeg" alt="RISE1.jpg" />     校准模式:    当输入两表笔短接后可以对分析仪上传的ADC值进行零位补偿,如果显示在波形显示区的波形小了,可以加大校准变量,如果显示区的波形大了可以减小补偿变量,此变量只对ADC值进行补偿,补偿后的ADC才通过变换形成电流值,如下图所示 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VlnubQHS89Y9Fb8gKi7H8PCMWt7T9tb2Q3kYLGDj.png" alt="TRIG3.png" /> 3.低功耗简介   本电流仪采用业界最低功耗的德州仪器的CC2640作为主控芯片,当BLE的广播时间间隔为100MS时,耗电电流在170ua左右,<strong>如果把广播发送间隔加大可以实现更低的功耗</strong>,在广播模式下可以实现自动休眠功能也就是AUTO POWER OFF功能。使用人员经常会为忘记关掉电源而苦恼,有这个<strong>AUTO POWER OFF</strong>功能,当使用人员后远离一定距离时,将自动进入广播模式,运行电流自动降至170uA,系统也只有在APP连接时才进入全速运行模式、运行电流为3.8mA左右,此时adc芯片也采用脉冲转换的方式,采集完毕时ADC立即进入下电模式。当进入BLE广播模式时,OS关闭了外设、放大运放、偏置运放、ADC采集器、继电器的电源,这样以达到最佳能耗效应,使用磁保持继电器降低功耗,当系统运行10MIN自动进入休眠模式防止假连接、如果非假连接APP有自动重连接功能可以马上连上重新工作。**  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题      续航问题:     手持设备往往要为功耗而发愁,故此我们选用的器件都是低功耗器件,而且使用了MOS管开关电路控制外设及器件的电源,以期达到最佳性能。当BLE断开连接时,只有BLE的广播在工作,别的外设和器件的电源全部自动关闭,而BLE我们也选用业界功耗最低的德州仪器的CC2640芯片,该芯片获得过业界比赛低功耗大奖,本作品采用1800MAH锂电池,用完就可以用外接5V继续充电,全速运行至少可以450H左右,待机的时间可以达到10000H,本作品使用磁保持继电器就是充分利用该继电器只要动作完不用耗电的特性,以获取低功耗的目的;     一致性:      系统存在着ADC量化误差、放大电路误差、器件误差、运放的失调电压等跟各种误差,为了消除误差本作品的APP可以对零位ADC(两输入端短接)进行相应的补偿,以消除各种误差叠加对测量值造成的影响,保证了作品测量的准确性及批量的一致性;      性价比:      本作品采用一些知名厂家的器件,虽然单价较高,但是数量少系统短小精悍,性能上佳;      稳定性:      本作品测量是mV级别的微弱信号,所以电源的稳定性及软件滤波算法决定最终的性能;      校准:       本作品由于经费问题缺乏专业的校准仪器的缺失,目前采用的校准方法是通过简单的锂电池加可调电阻得出相应的测试的电流,然后通用万用表得出的结果,如果测量有专业的仪器进行校准可以直接通过APP的触发页面里面的校准变量直接进行校准补偿。 三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点 1.硬件部分     主控CPU:    本作品采用德州仪器的CC2640为主控CPU,该CPU承担了ADC数据定时采集、数据滤波、数据上传、参数设置极保存、继电器动作控制等任务;     ADC采集器:    本作品采用德州仪器24位ADC转换器ADS1247作为模数采集器,该ADC的转换速率最高可以达到2KBPS,正好满足我们最快5MS每次的采样周期、差分输入、差分参考源、输入RC滤波电路、把信号采集电路的偏置电压做为ADC的参考源以消除共模信号;     信号放大电路:    本作品采用两级的同相放大电路+偏置电压电路+磁保持继电器结合的方案;采用同相放大电路是因为同相放大电路的输入内阻极高,对微小的电流不会造成影响,两级的总放大倍数为37倍,磁保持继电器只要给相应的动作线圈或释放线圈给电就要可以了,给完电就可以释放,从而达到低功耗的目的;APP发送相应的参数,磁保持继电器打到相应的挡位,不同的电阻对应不同的电流挡位;     电源电路:     本作品采用1800MAH的3,7V锂电池主供电,外部的5V通过MICRO-USB可以对锂电池充电,锂电池经过MICROCHIP的MCP1702降压成3.3V给CPU使用,CPU通过控制一个PMOS管的开关,以控制采集器、放大运放、偏置运放、继电器这些的电源,当BLE断开连接时切断外设和器件的电源以达到低功耗的目标。 2.BLE部分    低功耗设计:       当BLE连接的时候调用相应的回调,把采集器运放的电源开关打开、定时开关、LED指示灯闪烁、继电器动作;当BLE断开的时候调用相应的回调,直接对CPU进行硬复位操作,让CPU直接回到BLE广播状态,关闭外设和外部器件的电源;    滤波算法:     本作品采集的极微弱的信号,所以ADC的采集结果容易电源波动的影响,所以采集完的ADC值进必须行滤波,采用的滤波算法为差值比较法,当前的采样值跟前一、前二、前三的差值在一定范围内就保存到缓冲区,否则放弃当前值。 3.APP部分     连接逻辑:       当BLE掉线时,相应的回调函数会被触发,APP重新调用连接函数实现自动连接功能。当前连接成功后,相应的设备mac和设备name会被保存,以便掉线或退出后下次连接时使用;     触发逻辑:       把BLE上发的缓冲区里面的值前后值进行差值对比,当出现满足触发参数里对应的条件时,保存当前数据、触发条件、并采集之后几帧数据,之后存入数据仓库,以便显示;     校准逻辑:       当输入两表笔短接后可以对BLE传输上来的ADC值进行补偿,目前补偿值范围的-10到10之间(可以根据量产值进行调整),补偿的公式是测量值直接加上补偿值,补偿后的电流波形在APP上显示位在零位附件波动既可。 四、作品材料清单   1.APP 2.黑红表笔各一只 3.1800mah锂电池4.3D打印件外壳5.鳄鱼夹两个6.带螺母的螺旋铜孔 7.螺母、螺丝若干 8. PCBA <em>五、作品图片上传</em>(PCB上须有大赛logo标识并拍照上传,若无视为放弃参赛)   外观图片: <em><img src="//image.lceda.cn/pullimage/vAGIJumr6rCUiTnistbwllQUIMx4pKZt3URNHM8G.png" alt="PCB1.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/7uZLa6mZ948qklKnL2o3wfk3fQJTq6lH0p1HO7HJ.png" alt="PCB2.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/0kPVBdTudpkmKlF8UWHVIcjq0uxav1Mrr8vxEe2g.png" alt="PCBA1.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/skvOVWzNDlJMHKBQTnctcwlabzFR6EHTuX0kH2oe.png" alt="正面2.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/zuXj2lBKWtprV4cdABh6WCzo6OW33eoTlPCRiIKS.png" alt="侧面2.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/WjZGBmzcrTcf2a84b7gdmmaDw09hgXQlcTVllxKH.png" alt="底面2.png" /></em>     性能测试: <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Qs952XLWCe9uCUaTeXQfrL4H2EPCvjxY6Z05Kbbb.png" alt="mA.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/2UwNI5qI2Aj6J4XSSlJvlnZCOLdnbBMBs4J3Bs8b.png" alt="uA.png" /><img src="//image.lceda.cn/pullimage/4LCxczeZbxKbP5AOllgydu53Mpf5WQsDVexvzUhY.png" alt="nA.png" /> 六、演示您的作品并录制成视频上传;(视频内容须包含:作品介绍;功能演示;性能测试;PCB上大赛logo标识特写镜头,若无视为放弃参赛) <a href="https://v.youku.com/v_show/id_XNDM0MjQyODI2OA==.html?sharefrom=iphone&sharekey=2471c9f73a0b9465286e5695a582e3e15" target="_blank" rel="noreferrer noopener">低功耗动态电流显示仪演示视频</a> 七、开源文档。~~~~</p>

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评论(17)

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LCDS 回复

你的作品看得出来很用心。既然属于物联网范畴,那么APP的相关架构有必要简单介绍一下。美中不足的是最后的测试验证阶段,如果有专业仪器帮忙校准,验证会更好一些,目前的方法说服力不够,且没有见到校准的相关描述。

LCDS 回复

温馨提示:距项目提交截止还有11天,记得完善作品上传哟!

zhangyansheng 回复

@LCDS 由于经费的问题,精密的仪器暂时无法购买,也不好向别人公司借,但是我的APP里面有一个动态校准参数的补偿,可以实时的动态的补偿实现校准。

zhangyansheng 回复

@LCDS 已经完善资料上传

zhangyansheng 回复

@LCDS 我们团队报名参赛的题目是低功耗动态电流检测仪,运用物联网BLE技术是为了让手持设备能够有最持久的续航,利用现成的手机终端显示动态电流的波形,校准问题,APP可以实现动态校准。

zengnaizhang 回复

有个问题想请教下,你是怎么处理运放的失调电压呢? 另外,使用继电器功耗会不会很大?

zhangyansheng 回复

@zengnaizhang 失调电压:当两输入端短接时,输入为0理论上输出也要为0,但是这时候输出有将近1MV的输出而且不同的板子还不一样,后来调试的时候加大了第二级输出端到差分端的电阻1K这样使不同好几块板输出将为0,继电器:我们采用的磁保持继电器,这种继电器只有在动作的一瞬间耗电,后面靠自身的磁力保持状态,不会持续耗电,对功耗不会影响。

jass2009 回复

请教一下自动休眠的工作机制是怎么样的,待机功耗可以进一步提高吗?

zhangyansheng 回复

@jass2009   自动休眠 有三种触发方式:1.手机远离电流仪20m之外自动进入休眠模式;2.手机关闭APP自动进入休眠模式 3.连接运行10分钟自动进入休眠模式。         待机功耗 可以继续减小的:主要是通过调整BLE的广播时间间隔改为3S可以把电流减小到20uA左右,但是必须通过一定的优化逻辑,例如发生了BLE连接事件以后,立即把广播间隔改为100ms因为电流的实时传输肯定会出现连接中断的情况,出现连接中断后APP可以在100MS后立即实现重连接,当出现连接中断发生30S事件以后再把广播间隔改为3S这样又实现降低功耗的目的,这样的逻辑实现了性能和功耗的平衡,提高了使用体验,又降低了功耗。

jixin001 回复

我看了大家的项目,发现全部都是电阻采样且没有采取有效措施降低采样电阻的影响。有没有什么好的办法抵消采样电阻的影响?有一个项目他做的动态响应啥的比较好,你的人机交互啥的比较好,你俩结合一下就完美了。

zhangyansheng 回复

@jixin001  1.采用同相放大电路,增大的输入电阻,减小对输入信号的影响;2.APP采用动态补偿方法给接入的电阻进行动态补偿消除影响

zhangyansheng 回复

@jixin001 还有第三种方法通过APP进行自动量程切换,当出现巨大的电流跳动,如果当前的量程处于满溢的状态,APP立即发送量程调整参数,把量程由小的切换到大的,也就是减小采样电阻。

jixin001 回复

@zhangyansheng 采用同相放大电路是一个不错的想法。在高速动态测量方面,我更侧重于硬件层面来解决,涉及到APP和通信的时候响应速度会稍微慢一些。

zhangyansheng 回复

@jixin001 这个过程应该都要做到软硬件协同,假设采用的纯硬件的方案是比较器+切换档位的方法(这时候判断档位就需要额外的输入脚),也需要开辟一个外部中断把档位参数传给APP或上位机,所以我想一个折中的方案是:开启测量后MCU对量程是否满溢进行判断,判读到溢出时切换档位,并把此时的档位参数上传APP或上位机,多花费了一次测量的时间,但是不用增加额外的硬件、输入位判断及中断,这个方案可能更有性价比一点。

LCDS 回复

恭喜您的项目入围决赛,决赛评审颁奖将于10月26日举行,期待您的精彩演讲。点此查看获奖名单:https://diy.szlcsc.com/posts/7b78bd99e53745588a4f2d81cc11af92

LCDS 回复

恭喜您的项目在第四届立创电子设计大赛中获得三等奖!

gaojinwen 回复

有没有代码。微信小程序有没有文件

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