Propojený multimetr? Návrh TI napoví

Prostředí internetu věcí IoT se v této době skloňuje u celé řady produktů, měřicí techniku typu digitálních multimetrů DMM , resp. WDMM , má-li se jednat o řešení bezdrátová, nevyjímaje. Bez těchto zařízení si svou práci snad ani nedovedeme představit.

Někteří z nás však půjdou ještě dál, protože je dostali za úkol přímo navrhnout. Podobně jako dvojice autorů ze společnosti Texas Instruments, Victor Salomon a Russ Rosenquist, kteří se o své výsledky podělili v říjnu loňského roku. Jejich řešení na obr. 1 nese označení Wireless IoT, Bluetooth ® Low Energy, 41 Digit, 100kHz True RMS Digital Multimeter Reference Design [1] a vývojářům ukazuje, jakou cestou by se mohli nebo snad i měli vydávat.

Obr. 1  Referenční návrh TI s označením TIDA-01012 [1]

Dotykem i vzduchem

Referenční návrh bude tvořen celkem šesti subsystémy – mikrokontrolérem vybaveným vlastním vf jádrem pro řízení systému, komunikaci Bluetooth ® Low Energy (BLE) a zpracování dat, na vstupu dále analogovými strukturami AFE, se kterými přizpůsobíme signály pro měření napětí a proudu, dynamickým rozhraním NFC, nízkopříkonovým MCU MSP430 s technologií CapTIvate ™ pro přirozené ovládání dotykem, stabilizátory a měniči sloužícími k distribuci napájecího napětí a konečně též obvody pro nabíjení a monitorování stavu baterie.

To se již ale dostáváme k vlastní spotřebě. Potřebujeme totiž vybrat nízkopříkonový mikrokontrolér se schopností efektivně zpracovávat výpočty stejně jako přenášet data. S otázkou bezdrátového protokolu souvisí též volba jeho vf obvodů a vysokou účinnost v režimu standby by zase měly podtrhnout skutečně nízkopříkonové měniče. Celý návrh, který si s přehledem poradí i s firmwarově řešeným měřením True RMS pro vstupní signály až do 100 kHz, byl nakonec vystavěn okolo MCU SimpleLink™ CC2640.

Obr. 2  Digitální multimetr a jeho blokový diagram [2]

Obr. 3  Hardwarové řešení digitálního multimetru [2]

Šest rozsahů jako základ

Pro názornou ukázku v Texasu zvolili čtyři napěťové (50 mV až 50 V) a dva proudové rozsahy (50 mA a 500 µA). Výkonu zde máme naštěstí na rozdávání, takže systém půjde jednoduše dále rozšiřovat, např. o měření odporu, kapacity či kmitočtu.

18bitový A/D převodník typu SAR s rychlostí 400 kSPS umožní vykázat rozlišení až 1 µV nebo 10 nA spolu s přesností, která se může pro napětí vyšplhat až na 0,05 % + 5 LSD, pro proudy 0,10 % + 5 LSD (obojí DC), resp. na 3 % + 10 LSD (napětí i proud, AC, až do 100 kHz).

V ruce ožívá

Pokud zrovna neprobíhá měření, můžeme si dovolit „zakázat“ některé postradatelné bloky multimetru a šetřit tím jeho baterii. V případě referenčního návrhu TIDA-01012 takový úsporný režim nastává, nemáme-li žádný aktivní spoj BLE a zároveň jsme po předepsanou dobu nevzali naše zařízení do ruky.

Automatické „probouzení“ má na starosti kapacitní dotyková technologie CapTIvate implementovaná na MCU MSP430FR2532. Úsporný mikrokontrolér už jen tiše vyčkává na uchopení měřidla, které obratem vrací do aktivního provozu, viz obr. 4.

Energii systém čerpá z článku Li-Ion typu AAA dobíjeného přes port micro USB. Návrh si také hlídá stav svého zdroje, který umí po sériové lince nahlásit mikrokontroléru. Zdánlivá maličkost, ale jak se liší od strohého indikátoru vybité baterie! Při uvažování jmenovitých 3,7 V se proudový odběr v aktivním režimu vyšplhá na 5,2 mA, pro „low power“ pak zůstane na 25 µA. Bude-li tedy mít článek kapacitu 600 mAh, mohl by multimetr vydržet v provozu i více než 100 hodin.

Obr. 4  Technologie CapTIvate a její elektrody. Citlivost zvyšují půlkroužky držící červený konektor [2]

Obr. 5  Možnosti uživatelského rozhraní LabVIEW™ [2]

BLE pomůže NFC

Pokud jde o párování se zařízením Bluetooth, obvykle se vyžaduje nějaká interakce s uživatelem pro potvrzení identity. Multimetr však pro tyto účely přichází s automatickým spárováním BLE na základě rozhraní NFC s obvodem RF430CL330H, který celý proces dále zjednodušuje. A nejen to, obejde se totiž i bez baterie, protože energii potřebnou k činnosti subsystému prostě „sesbírá“ z vyzářeného pole umožňujícího komunikaci se zařízením. Důmyslné.

19 obvodů, zbytek je na vás

V článku jsme si představili referenční návrh digitálního multimetru, který ukazuje nejen způsob návrhu moderního měřicího zařízení s bezdrátovým rozhraním, ale přináší též řadu užitečných „vychytávek“ spojených např. s párováním, sledováním stavu baterie nebo dotykovým probouzením a pamatuje i na případné další alternativy. K podrobnějšímu popisu pro vývojáře všeho podstatného pak jeho autorům vystačilo 72 stran [2].

Odkazy:
[1] Referenční návrh multimetru
[2] Wireless IoT, Bluetooth ® Low Energy True RMS Digital Multimeter Design Guide