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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
FACULDADE DE ENGENHARIA
ANALISADOR DE CONSUMO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
COM REGISTRADOR DE DADOS INTEGRADO
Porto Alegre, 04 de dezembro de 2017.
Autor: Fernanda Canabarro Schmidt
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Curso de Engenharia Elétrica
Av. Ipiranga 6681, - Prédio 30 - CEP: 90619-900 - Porto Alegre - RS - Brasil
E-mail: [email protected]
Orientador: Prof. Anderson Royes Terroso
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Av. Ipiranga 6681, - Prédio 30 - CEP: 90619-900 - Porto Alegre - RS - Brasil
E-mail: [email protected]
RESUMO
Este trabalho consiste no desenvolvimento de um analisador de consumo com registrador
integrado, capaz de armazenar os valores de correntes lidas, na faixa de 1 uA a 20 mA, ao
longo do tempo tendo como objetivo facilitar a forma de medir o consumo de dispositivos
eletrônicos com a precisão necessária. Os sensores de corrente implementados utilizaram a
técnica shunt combinada com outras topologias de circuito. Duas implementações foram
realizadas, uma com o CI (Circuito Integrado) INA212 e outra com o ADC de 24 bits do
tipo sigma-delta (Hx711) que exibiu desempenho compatível com a aplicação e se mostrou
eficaz na precisão, que foi menor que 0,1% da faixa de leitura. A forma de registro dos
dados se deu através de uma memória flash, mais conhecida como pendrive, escrevendo os
dados em um arquivo CSV (Comma Separated Values) e também foram exibidos em tempo
real através de um display. Palavras-chave: analisador, consumo, dispositivos eletrônicos,
Hx711.
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ABSTRACT
This work consists of the development of a current consumer analyzer with integrated
recorder, capable of storing the values of read currents, in the range of 1 uA to 20 mA, over
time in order to facilitate the measurement of the consumption of electronic devices with the
required accuracy. The implemented current sensors use the shunt technique combined with
other circuit topologies. Two implementations were performed in this project. The use of
the INA212 Integrated Circuit IC was inadequate for the application of the project, and the
implementation with 24-bit sigma-delta type ADC (Hx711) showed performance
compatible with the application and was effective in accuracy, which was less than 0.1% of
the reading range. The way of recording the data was through a flash memory, it is better
known as pendrive, writing the data in a CSV file (Comma Separated Values) and also were
displayed in real time through a display. Key-words: analyzer, consumption, electronic
devices, Hx711.
1. INTRODUÇÃO
Em um cenário onde a tecnologia está cada vez mais presente na vida das pessoas
(BRONDANI, 2015), é extremamente relevante que os engenheiros invistam em suprir as
necessidades existentes agregando qualidade e eficiência.
Neste contexto, além de sempre se buscar a inovação com a criação de novas
tecnologias, vigora a ideia de melhorar a tecnologia já existente, principalmente quando há
alguma necessidade de reduzir custos, o vulgo “fazer mais, com menos”.
De modo geral, no desenvolvimento de projetos desde a determinação do escopo até a
validação há uma grande preocupação com a qualidade da entrega final, o produto.
Preocupados com isso, a demanda de ferramentas ágeis e confiáveis, para realizar ensaios de
caracterização abrangentes e satisfatórios, aumenta (BRONDANI, 2015). No setor de
Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) da empresa NOVUS PRODUTOS ELETRÔNICOS uma
das etapas de desenvolvimento do produto, consiste em monitorar o consumo dos produtos
desenvolvidos, dessa forma há como estimar o tempo de vida da bateria utilizada para
alimentar o dispositivo e também há como encontrar falhas de firmware e hardware. Nesse
sentido, dois exemplos recentes; ambos com registradores de dados portáteis; demonstram a
importância da caracterização de consumo dos dispositivos:
- Registrador de temperatura portátil com comunicação NFC (Near Field
Communication):
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Na concepção de uma nova versão do produto era desejável que o consumo fosse
otimizado para que ao invés de duas baterias de 3V em paralelo, fosse utilizada apenas uma
bateria de 3V . O ensaio de caracterização do consumo da versão antiga do dispositivo, foi de
extrema importância para avaliar se as alterações realizadas em firmware foram realmente
efetivas. E através delas, foi possível perceber onde o consumo poderia ser melhorado, que no
caso foi otimizando os delays (atrasos), e após implementado a utilização de apenas uma
bateria foi suficiente para alimentar o dispositivo mantendo o tempo de vida desejado da
bateria.
- Registrador de temperatura portátil com comunicação BLE (Bluetooth Low
Energy) :
No caso deste produto, por meio do ensaio de caracterização do consumo, uma falha
de firmware foi diagnosticada. Em uma das rotinas típicas do firmware de leitura de um dado,
ao invés de demorar de 1 ms a 10 ms, a rotina ficava 100 ms aguardando uma resposta devido
a um delay (atraso) desnecessário em tal tarefa. A falha não poderia ser detectada em testes
funcionais devido ao tempo ser visualmente pequeno, porém como se almeja o menor
consumo possível para este dispositivo, isso faria uma grande diferença no tempo de vida das
baterias utilizadas.
A proposta principal deste trabalho está situada no desenvolvimento de um analisador
de consumo com registrador incorporado para dispositivos eletrônicos, de forma que associe
ferramentas já existentes, agregando baixo custo ao projeto, além fazer isso com qualidade,
que neste caso se define por medidas precisas, registradas de forma segura e em um pequeno
intervalo de tempo, bem como exibir os dados em tempo real em uma IHM (Interface Homem
Máquina). De forma que, os objetivos do trabalho são: desenvolver um produto que permita
diagnosticar dispositivos que estejam fora de sua especificação de consumo, que através da
análise criteriosa dos dados indique algum possível problema no firmware ou hardware; e
permita estimar de forma mais adequada a vida útil da bateria de dispositivos eletrônicos,
como registradores de temperatura de baixo consumo, utilizados no controle de qualidade de
transporte de vacinas e hemoderivados.
Com a utilização da ferramenta proposta neste trabalho, tendo em vista melhorar a
qualidade dos produtos, há, além de uma solução para monitoramento de consumo, uma
proposta de automatização de ensaio, o que permite que outros testes sejam executados ao
mesmo tempo, otimizando o trabalho e reduzindo custos, tanto do produto, quanto do projeto.
Considerando que os testes podem ser repetidos várias vezes, em pouco tempo, há a
possibilidade de traçar o perfil de repetibilidade do consumo do dispositivo. O método
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utilizado atualmente, medições com o osciloscópio através de um shunt, possui muitas
fragilidades, como por exemplo, o fato de apenas serem medidas formas de onda já
conhecidas devido à análise do firmware. Com o método atual é necessário saber a
periodicidade do evento e a forma de onda esperada, considerando que a janela de tempo que
o osciloscópio disponibiliza é muito pequena, faz-se necessário o acesso ao firmware para
forçar algum pino do microcontrolador como trigger com o intuito de saber exatamente o
momento em que o evento acontecerá. Analisando o método, percebe-se que há muitos fatores
limitantes para a caracterização do consumo do dispositivo, pois somente é medido o que é
esperado, ou seja, eventos inesperados correm um grande risco de passarem despercebidos.
No setor de P&D da empresa NOVUS PRODUTOS ELETRÔNICOS, para
caracterizar o consumo de um produto como o registrador de temperatura portátil com
comunicação NFC, é necessário no mínimo dois dias de trabalho para que todas as formas de
onda sejam capturadas e analisadas. Já o analisador projetado neste trabalho, pode fazer este
mesmo ensaio em no máximo uma hora, tendo ainda a opção de anexar outros períodos de
aquisição para que seja traçado o perfil de consumo de diferentes configurações trazendo mais
detalhamento e amplitude à estimativa.
O trabalho possui um escopo definido em relação ao desenvolvimento de um
analisador de consumo de dispositivos eletrônicos que mede consumo de dispositivos na faixa
de 1 uA a 20 mA DC, esta faixa foi definida devido a abrangência da maioria dos produtos
desenvolvidos pela NOVUS para automação industrial. Consumo de dispositivos com
correntes e tensões superiores ao especificado ou alternadas, não serão abordados neste
trabalho.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
Nesta seção serão apresentadas as principais tecnologias necessárias para embasar este
trabalho. As mesmas serão elencadas da seguinte forma: sensor de corrente e tipos de ADC.
2.1. Sensores de corrente
“A palavra ‘sensor’ é derivada de sentire que significa ‘perceber’(...)", segundo o dicionário
Chambers Twentieth Century de 1972. Usher diz que ‘sensor’ é ‘um dispositivo que detecta
uma mudança em um estímulo físico e transforma em um sinal que pode ser medido ou
gravado’. (M. J. Usher, 1985)
No caso de sensores de corrente, por serem analógicos, não há o estímulo físico,
portanto, as variações mensuradas já se dão em relação à corrente ou tensão.
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Há diversos princípios relacionados aos sensores de corrente, desde os mais simples,
como a Lei de Ohm, até mais complexos, como o efeito do campo magnético. Os métodos
mais conhecidos de realizar medidas de corrente são: efeito hall, método de Rogowski Coil,
shunt e métodos com transformadores.
2.1.1 Rogowski Coil
Este método tem seu princípio caracterizado apenas para corrente AC (corrente
alternada), devido à sua relação com a variação do fluxo magnético, como diz o artigo
SHERPARD, 2000.
“A teoria da bobina de Rogowski baseia-se na lei de Faraday que afirma: a força
eletromotriz total induzida em um circuito fechado é proporcional à taxa de tempo de
mudança do fluxo magnético total que liga o circuito.” (SHERPARD, 2000)
Um exemplo de sensor é a bobina flexível, conforme Figura 1.
Figura 1: Bobina Flexível de Rogowski
Fonte: (SHERPARD, 2000)
Portanto, para a aplicação estudada neste trabalho, o método de Rogowski Coil será
descartado.
2.1.2 Sensor de Efeito Hall
O efeito Hall define-se dessa forma:
“(...) cargas em movimento em uma região onde há um campo magnético estão
sujeitas a uma força perpendicular ao seu movimento. Quando estas cargas estão em
movimento em um fio condutor, elas são empurradas para um dos lados do fio. Isto
resulta em uma separacão das cargas no fio — um fenômeno chamado de efeito Hall.
Este fenômeno nos permite determinar o sinal da carga nos portadores de carga e o
numero de portadores por unidade de volume, n, em um condutor. O efeito Hall
também fornece um método conveniente para medir campos magnéticos”.( TIPLER,
1933)
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Através de experimentos, Hall descobriu, antes mesmo da descoberta do elétron, que a
cargas negativas se moviam do polo negativo para o positivo. Essa descoberta foi de grande
importância para a época e somente foi possível devido a associação de um campo magnético
que por sua vez induz um campo elétrico, expandindo as possibilidades e usabilidades desta
técnica. (TIPLER, 1933)
Com a presença de um campo elétrico, é possível descobrir a iteração de outras
grandezas, como tensão, diferença de potencial, corrente, densidade elétrica e etc. É partindo
deste princípio que se utilizam sensores de efeito Hall para medir a corrente elétrica em um
fio condutor, conforme Figura 2.(HONEYWELL. Hall Effect Sensing and Application)
Figura 2: Princípio do Efeito Hall
Fonte: HONEYWELL. Hall Effect Sensing and Application
“Os sensores de efeito Hall com saída linear podem ser usados para detectar correntes que
variam de 250 miliamperes a milhares de ampères.” (HONEYWELL. Hall Effect Sensing and
Application)
Como indicado através da citação do artigo da Honeywell, para a faixa de corrente que
o trabalho foi aplicado, há uma certa dificuldade em utilizar este princípio, por ser um sensor
que não realiza contato com o fio condutor, a aplicação mais utilizada é para correntes de
grandes amplitudes, tanto contínuas quanto alternadas, trazendo dificuldade em encontrar
sensores compatíveis no mercado.
2.1.3 Método de medida através de transformadores
No artigo de ZIEGLER, S. et al. é proposto um método diferente de se realizar
medidas de corrent. Esquemático do circuito proposto na Figura 3.
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Figura 3: Circuito proposto
Fonte: ZIEGLER, S. et al.
Segundo os autores do circuito proposto na Figura 3 o método não se tornou popular
na indústria e no meio acadêmico, devido ao uso de muitos componentes.
A topologia do circuito baseia-se no fato de o consumo medido ser uma fonte de
corrente que induz uma corrente amplificada da bobina do transformador devido à relação de
espiras de uma bobina para a outra. A corrente induzida então, é medida através de um shunt e
essa leitura é passada diretamente para um ADC (Conversor Analógico Digital). A frequência
de operação do circuito se dá por um oscilador que excita o transistor e que atua como uma
chave, permitindo ou não a passagem de corrente para o resistor de carga. Os diodos são
utilizados, neste caso, para fins de proteção do ADC (microcontrolador) e do transistor que
está funcionando como chave neste circuito. Os mesmos mantêm a tensão da bobina retida e
não permitem que a mesma gere sobre tensão.
A amplificação da corrente através da relação de espiras é de extrema importância na
pesquisa e faz desta técnica aplicável para a faixa baixa de corrente, porém menos atrativa
para parte alta da faixa, devido à necessidade de um circuito auxiliar para rebaixar a tensão a
fim de que possa ser lida pelo ADC.
2.1.4 Shunt1
Este método consiste basicamente em medir a tensão de um resistor e dessa forma
calcular a corrente que passa nele. A técnica que embasa este método é a Lei de Ohm. Porém,
1 “shunt (palavra inglesa, do inglês [to] shunt, derivar)
[Eletricidade] Desvio introduzido num circuito elétrico, de maneira a não deixar passar senão uma
.fração da corrente nesse circuito.
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apesar de toda sua praticidade, o uso deste método traz perdas de potência relacionadas à
queda de tensão no resistor de medição, o que faz com que sua utilização precise ser muito
bem avaliada. A Figura 4 demonstra um esquemático de como funciona esta técnica.
Figura 4: Esquema elétrico do método shunt
Fonte: TEXAS INSTRUMENTS, 2010
Há uma série de vantagens e desvantagens em realizar as medições nos diversos
métodos existentes. O modo low-side sensing, traduzido de forma livre para “medicão junto
ao terra”, sofre interferências em relação ao terra da carga e o modo high-side- sensing,
traduzido de forma livre para “medicão junto à fonte”, sofre interferência da fonte.(TEXAS
INSTRUMENTS, 2010)
Portanto, para definir a melhor forma de medição deve-se analisar qual o efeito que
cada uma das metodologias terá na carga utilizada. Os valores dos resistores serão
dimensionados de acordo com a corrente da carga, de acordo com a Equação (1). Onde “V” é
a tensão no resistor, “R” é o valor do resistor e “i” é o valor de corrente passante através do
resistor.
𝑉 = 𝑅. 𝑖 (1)
2.2. Tipos de Conversor Analógico-Digital (ADC)
Uma das partes comuns de todas as técnicas de medição de corrente que podem ser
aplicadas neste projeto é o ADC, devido à necessidade de utilizar um microcontrolador
automatizando diversos processos. Existem diversos tipos de ADC e para cada aplicação
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deve-se analisar as diferentes características provenientes deste componente, como: o número
de bits (resolução), forma de conversão, taxa de conversão, entre outros parâmetros. No
Quadro 1 há uma comparação dos tipos mais conhecidos, adaptada do artigo de KANSAL,
2015.
Quadro 1: Comparação de tipos de ADC traduzido de forma livre
Fonte: KANSAL, 2015
Através do Quadro 1, pode-se observar que para cada tipo de ADC há muitas
características a se considerar, evidenciando a importância de se analisar os requisitos
técnicos de cada aplicação a fim de escolher o componente mais adequado. Dependendo das
características da aplicação a ser utilizada, o ADC não consegue atender todos os requisitos ao
mesmo tempo, muitas vezes é necessário abrir mão de alguma característica secundária ou
contornar a deficiência do componente de outra forma.
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Devido a limitações tecnológicas, se a aplicação for muito específica é provável que
circuitos auxiliares e de alta complexidade sejam necessários, pois o ADC ideal não existe,
como é citado na conclusão do artigo de KANSAL, S. : “Um ADC ideal teria um grande
número de bits para uma altíssima resolução, amostras tão rápidas quanto a luz e recuperação
dos passos instantaneamente. Mas infelizmente isso não existe no mundo real.”
3. METODOLOGIA
Neste capítulo, serão expostas as técnicas metodológicas utilizadas para a
implementação do analisador de consumo, bem como suas etapas determinadas. Na Figura 5
pode-se observar o fluxograma macro do trabalho.
Figura 5: Fluxograma do projeto do analisador de consumo
Fonte: Autoria própria
As etapas de detecção do problema e estudo das alternativas de solução foram
discriminadas nos capítulos anteriores do presente trabalho e, portanto, não serão abordados
nos próximos tópicos.
3.1. Levantamento das técnicas compatíveis
Este tópico consiste no levantamento das técnicas compatíveis com a aplicação. O
embasamento obtido através do referencial teórico foi a principal ferramenta para escolha das
técnicas mais adequadas, bem como, pesquisas relacionadas a componentes que foram
utilizados na implementação.
3.2. Implementação e testes das de técnicas
Nesta etapa serão demonstrados que a técnica consistiu em selecionar as tecnologias
disponíveis para a realização da implementação que atendam aos requisitos de
compatibilidade do projeto. Para a implementação, foram utilizadas técnicas de análise de
circuitos, técnicas de firmware, conversões analógico-digitais e instrumentação para circuitos
eletrônicos. Como não há como desvincular de forma completa a implementação dos testes,
serão demonstrados essencialmente os ensaios executados, de forma que a conclusão parcial
de tal ensaio acarrete em mais implementações.
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3.3. Resultados obtidos
Nesta etapa, serão demonstrados essencialmente os resultados gerados, através das
implementações realizadas, que serão baseadas em comparações dos dados adquiridos em
relação a referências confiáveis e em relação à dispositivos de tecnologias semelhantes, ou
destinadas para fins semelhantes. De forma geral, as técnicas utilizadas para a análise dos
dados foram por meio de comparações entre valores de erros, precisão, gráficos informativos,
vantagens e desvantagens.
4. APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA
Este capítulo evidenciará a aplicação da metodologia selecionada para este trabalho.
4.1. Levantamento das técnicas compatíveis
Como os requisitos técnicos para a aplicação são bem específicos, poucas técnicas
foram classificadas como compatíveis com a aplicação. Além do referencial teórico, que
embasou os conceitos aplicados neste trabalho, uma pesquisa informal no mercado de
componentes eletrônicos foi fundamental para elucidar e compreender os tipos de soluções
disponíveis, como resultado a técnica que mais se mostrou promissora, foi a técnica Shunt. Os
principais motivos para tal foram: sua implementação menos intrusiva, além de ser baseada na
principal lei da eletricidade, Lei de Ohm, o fato de utilizar poucos componentes para seu
funcionamento e ainda com o ponto positivo de haver soluções amplamente utilizadas que
facilitam a implementação da técnica. O fator limitante, neste caso, foi a leitura de correntes
baixíssimas, a partir de 1 uA; por se tratar de uma aplicação muito específica, apenas dois
métodos foram considerados relevantes.
Os métodos selecionados para a implementação desta técnica foram: medição através
do INA212, que é um circuito integrado com amplificador operacional conectado a um shunt;
o outro método consiste na utilização de um ADC de alta resolução com filtro para diminuir o
ruído.
4.2. Implementação e testes das técnicas
4.2.1 Sensor de corrente
a) INA212 shunt com amplificador operacional integrado:
Uma forma de se obter maior precisão é utilizar circuitos integrados (CI) com
amplificador operacional associado, fazendo com que a queda de tensão no shunt seja
amplificada, no intuito de facilitar a leitura do sinal pelo ADC. Esta topologia de circuito
permite que a corrente lida pelo sensor seja menor, justamente o objetivo deste trabalho. A
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Texas Instruments possui alguns CIs que possuem especificações compatíveis com a
aplicação deste trabalho, como o INA212 (conforme a Figura 6).
Figura 6: Esquemático do sensor INA212
Fonte: TEXAS INSTRUMENTS, 2014.
Características compatíveis à aplicação:
Queda de tensão: o INA212 permite a detecção de corrente com quedas máximas
através do shunt de no máximo 10 mV em escala completa.
A queda de tensão no shunt é o ponto de maior fragilidade da técnica shunt, pois faz
com que ocorra perda de potência e prejudica a estimativa de corrente passante no resistor.
Portanto, a queda máxima ser 10 mV é um ponto positivo deste circuito integrado.
Leitura de –0.3 V a 26 V: esta faixa de tensão flexibiliza a medição de correntes,
desde dispositivos alimentados à bateria, tensões até 9V, até dispositivos alimentados
por fonte externa, 24V.
Ganho 1000 V/V: o ganho elevado permite amplificar correntes baixíssimas fazendo
com que seja possível ler com a resolução do ADC.
Para que o circuito integrado pudesse ser utilizado, uma placa de circuito impresso foi
fabricada (Figura7).
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Figura 7: Esquemático INA212
Fonte: Autoria própria
A tensão de saída que será lida através do ADC, dependerá do consumo de corrente do
dispositivo em teste, além da resistência do shunt e da tensão de referência, como a mesma
está conectada no terra, será 0 V. No Quadro 2, estão relacionados os dados coletado
dispositivo.
𝑉𝑜𝑢𝑡 = (𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑥 𝑅𝑠ℎ𝑢𝑛𝑡)𝐺𝑎𝑖𝑛 + 𝑉𝑟𝑒𝑓 (2)
Quadro 2: Valores medidos e calculados para Vout
Fonte: Autoria Própria
Os dados foram coletados através de um multímetro de que lia a tensão de saída
enquanto era injetado o sinal Iload na entrada. O que foi percebido é que a tensão de saída
varava de forma linear somente após 0,5 mA, o que para a aplicação se torna incompatível.
Outro fato importantíssimo é que a saída equivalente a 20 mA (fim da faixa de
medição) chegava a 2V, o que faria com que um circuito rebaixador de tensão fosse
necessário para que esse dado fosse lido pelo conversor AD. A adição deste circuito
aumentaria as perdas de potência e afetaria diretamente a medida do sensor.
b) Leitura direta através da entrada de um ADC:
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Para ensaiar esta técnica foi escolhido o shield Hx711, que é utilizado amplamente
como célula de carga. Como a aplicação utilizada para este ADC não é a leitura de células de
carga, que é a aplicação concebida para este shield, uma alternativa encontrada foi realizar
adaptações no circuito utilizando a célula de carga como um Shunt, sabendo o valor do shunt
e o valor de tensão lido pelo ADC, temos a corrente passante do circuito.
Além da facilidade de adaptação do circuito, há outras vantagens neste shield que
foram fundamentais para a sua escolha nesta aplicação, como a fácil disponibilidade e o fato
de possuir 24 bits de resolução com o método de conversão sigma-delta, que é caracterizado
por dar estabilidade para os sinais de entrada do ADC. Na Figura 8 pode-se observar o
circuito recomendado pelo fabricante, bem como o layout da placa utilizada na Figura 9 .
Figura 8: Circuito recomendado pelo fabricante
Fonte: AVIA SEMICONDUCTOR, 2016
Figura 9: Esquemático da placa utilizada
Fonte: Elecrow, 2017
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Como o ADC utilizado não é interno, há uma interface de comunicação com o
microcontrolador através de pinos GPIO (General Purpose Input/Output) e que foi
implementado através do SM32F04-DISCO. O protocolo de comunicação funciona da
seguinte forma, quando 25 pulsos de clock são dados as leituras do canal A são enviados pelo
pino de dados, quando 26 pulsos de clock são dados, as leituras do canal B são enviadas pelo
pino de dados.
Nesta etapa inicial de ambientação com o Hx711, para compreender seu
funcionamento, foi utilizada a aplicação de essência do chip, célula de carga. Com uma ponte
de wheatstone2 conectada na entrada do Canal A, com essa topologia a leitura foi realizada de
forma correta.
Por se tratar de um ADC para leitura de célula de carga, o mesmo possui leitura
diferencial em seus dois canais disponíveis (Canais A e B). Portanto, o resultado final da
leitura, enviado para o microcontrolador, é a diferença da leitura entre as entradas positiva e
negativa de cada canal. O canal A possui ganho ajustável com Program Gain Amplifier
(PGA) de 128 e 64 já o canal B possui ganho fixo de 32.
Quando se utiliza 5V como referência, a faixa de entrada (tensão diferencial) do canal
A configurado com um ganho de 128 é de -20mV a 20mV, de modo que para ler correntes de
até 1mA com um bom aproveitamento desta faixa, o resistor de shunt foi dimensionado em 15
Ohms. A fim de possibilitar a leitura de um shunt, foi necessário prover a tensão de modo
comum especificada, que seria naturalmente fornecida pela ponte. Esta tensão deve estar entre
GND+1,2V e VCC-1,3V, e será obtida através de um divisor resistivo com dois resistores
iguais, para dar um ganho na entrada diferencial pois, as medidas são apenas positivas,
conforme Figura 10.
Foi implementada a leitura do canal A com o esquemático mostrado na Figura 10:
2 ponte de wheatstone: um dispositivo para determinar o valor de uma resistência
desconhecida, a partir da comparação com uma uma resistência conhecida.(COLLINS
DICTIONARY, 2017)
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Figura 10: Esquemático para leitura dos canais A e B independentes
Fonte: Autoria Própria
Através de ensaios, foi possível comprovar que este circuito atende aos requisitos do
HX711, permitindo a leitura da corrente na entrada. Porém não atingiu a precisão esperada,
havia um erro de ganho que era de aproximadamente 0,5% do range. Após uma análise mais
aprofundada, percebeu-se que os resistores utilizados não eram de precisão e, portanto, foram
substituídos. A precisão melhorou, entretanto, a variação das casas decimais continuou
grande, havia uma variação maior do que o esperado em relação aos 24 bits de resolução,
como pode-se observar na Tabela 1.
Tabela 1: Amostras coletadas com oscilação
Amostras coletadas
Amostra = 0.123567581
Amostra = 0.123310089
Amostra = 0.123603344
Amostra = 0.123693943
Amostra = 0.123713017
Amostra = 0.123791695
Fonte: Autoria própria
Na busca para explicações para tal comportamento, foi percebido que a referência do
ADC é a alimentação do mesmo, que é uma tensão não regulada, e a compensação que
normalmente ocorre com a célula de carga, quando ela é excitada por esta mesma tensão, não
estava acontecendo devido à modificação do circuito para atender a especificação deste
projeto. Portanto, como alternativa para a solução do problema, foi utilizar uma referência
externa e realizar algumas alterações no circuito do Hx711.
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Uma referência externa de 3,3V com boa estabilidade, o componente ADR3433ARJZ,
foi adicionado, tornando parte do circuito desnecessária, para tal, o resistor R12 e o transistor
Q2 foi retirado e um curto-circuito foi realizado no resistor R13. Essas alterações foram
realizadas a fim de desconectar o circuito que interligada a tensão de alimentação como
referência do ADC. A referência externa foi conectada aos pinos E+ e E-, deixando os terras
unidos. Após alguns ensaios de precisão, a conclusão é de que a precisão passou a ser superior
ao circuito original validando, portanto, a alteração como positiva. A alteração de hardware
realizada pode ser observada na Figura 11.
Figura 11: Alteração de hardware realizada
Fonte: Adaptado de Elecrow, 2017
Alguns cálculos precisaram ser refeitos devido à troca de referência da entrada, o que
por consequência alterou a referência do ADC. O fabricante especifica o range de entrada
diferencial como: ±0,5(AVDD/GAIN) o que neste caso resulta em uma faixa total de
25,78125 mV de fundo de escala como pode-se observar na Tabela 2.
Para as Tabelas 2 e 3 as colunas significam: Vref [V], tensão de referência do ADC;
PGA, ganho do ADC; Faixa min [V], valor mínimo de leitura do canal do ADC; Faixa
max[V], valor máximo de leitura do canal do ADC; Total [V], faixa total do canal.
Tabela 2: Cálculo da faixa do canal A
Fonte: Autoria própria
Com o valor de fundo de escala definido, foi possível determinar a faixa de operação
em corrente do circuito através da escolha do Shunt. Como a amplitude de entrada do Canal A
ficou pequena devido à referência de 3,3 V do ADC, foi percebido que não seria possível
utilizar o mesmo shunt para toda a faixa de medição, pois necessita-se de valores pequenos de
shunt para que a perda por potência seja minimizada. Devido à disponibilidade de dois canais
com o ADC utilizado, a solução que mais pareceu compatível, foi a utilização dos dois canais.
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Para que isso seja possível, a faixa correspondente ao Canal B precisou ser considerada a fim
de que possa se dar a definição da faixa de operação e o valor de shunt utilizado no circuito,
como pode-se observar na Tabela 3.
Tabela 3: Cálculo da faixa do canal B
Vref [V] PGA Faixa min [V] Faixa max[V] Total [V]
3,3 32 -0,0515625 0,0515625 0,103125
Fonte: Autoria própria
Após o cálculo da faixa para cada canal (±0,5(AVDD/GAIN)), o shunt ideal foi definido,
conforme Tabela 4 e 5.
Tabela 4: Definição do shunt do canal A
Ch A mín[mA] Ch A máx [mA] Val mín [mV] Val máx [mV] R [Ω]
0,001 1,000 0,01 11,4 11,4
Fonte: Autoria própria
Tabela 4: Definição do shunt do canal B
Ch B mín[mA] Ch B máx [mA] Val mín [mV] Val máx [mV] R [Ω]
1,0000 20,0000 2,4000 48,0000 2,4000
Fonte: Autoria própria
Com um instrumento de referência para a geração das correntes correspondentes com
cada canal, foi atestado o funcionamento de ambos canais com o circuito estabelecido. Como
o desejado seria que ambos os canais se comportassem como um só, uma adaptação no
circuito projetado foi necessária. Na Figura 12 está alteração está explicitada.
Figura 12: Circuito adaptado para leitura de canal A e B em série
Fonte: Autoria própria
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Além da modificação da topologia do circuito, o único componente que precisou ter
seu valor alterado, foi o resistor de shunt do Canal A (R3) que passou a ser a somado com o
resistor shunt do Canal B (R2).
Feito isso, o desafio passou a ser na forma de implementação em firmware que faria a
alteração de canal automaticamente. Pois devido ao protocolo de comunicação utilizado pelo
Hx711 a escolha entre o canal A com PGA 128 e B, a diferença é de 1 pulso, contudo, os
pulsos devem ser enviados sequencialmente para a leitura de cada canal, pois, possuem um
intervalo especificado entre si muito pequeno (no máximo 50 us). Tornando imprescindível o
envio ora de 25 pulsos (Canal A), ora 26 pulsos (Canal B). O problema foi contornado através
de uma lógica switch-case, porém, com isso, há uma limitação esperada nessa abordagem:
uma leitura sempre será perdida durante a troca de um canal para o outro devido ao fato de
não conhecer o valor de corrente lida, antes de se selecionar o canal.
A comprovação desta limitação se deu através de um ensaio realizado com um
dispositivo eletrônico com comunicação BLE. O consumo do dispositivo foi monitorado ao
mesmo tempo por um multímetro de precisão, que neste caso será a referência, e pelo
analisador projetado neste trabalho.
O que se torna perceptível é que o analisador consegue captar amostras que o
multímetro ignora, entretanto, quando deveria ocorrer a mudança do canal A para o canal B, o
analisador acaba não sendo rápido o suficiente e registra o valor saturado do canal A
(aproximadamente 1,062 mA). Como já era de se esperar, os dois dispositivos se
comportaram de forma diferente, conforme Figura 13. Há uma diferença de número de
amostra entre os equipamentos, isso se dá, devido aos diferentes períodos de aquisição.
Figura 13: Comparação entre os analisadores em 10 Hz
Fonte: Autoria própria
20
No Hx711 há duas opções de frequência de operação: 10 Hz e 80 Hz. O circuito
testado até então estava operando à 10 Hz, sabendo isso, uma alternativa para amenizar a
limitação de perda de amostra durante a troca de canais, foi alterar a frequência de operação
para 80 Hz. Para ensaiar a eficácia da implementação, foi realizado o mesmo teste anterior.
Os resultados estão nos Gráficos 1 e 2.
Gráfico 1: Curva plotada a partir dos dados lidos pelo multímetro de
Fonte: Autoria própria
Gráfico 2: Curva plotada a partir dos dados lidos pelo analisador projetado
Fonte: Autoria própria
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Observando o Gráfico 2, pode-se perceber que o analisador projetado possui inclusive
intervalo de amostragem menor que o multímetro de , o que de fato ocorre, pois, a
configuração do multímetro de está com intervalo de aquisição de 100 ms e o analisador está
com um intervalo de aquisição de aproximadamente 40 ms. Houve também uma saturação no
sinal referente ao buzzer do dispositivo eletrônico analisado, o consumo durante a operação
do buzzer é de aproximadamente 30 mA, e o analisador satura sua faixa em aproximadamente
20 mA, portanto, já era esperado que o analisador operasse desta forma.
Além de todas implementações explicitadas anteriormente, em ambos os canais uma
calibração foi realizada. Devido ao fato do shunt ser um sensor linear, pois é regido pela lei de
Ohm, uma calibração de dois pontos é suficiente, um no início e outro no final da faixa de
cada canal. A equação da reta entre os dois pontos escolhidos foi traçada, através disso foram
calculados offset e ganho a serem aplicados nos valores lidos.
Através da equação da reta:
𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏 (3)
Adaptando ao projeto:
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑙𝑖𝑑𝑜. 𝑎 + 𝑏 (4)
4.2.2 Registrador de dados:
Para registro dos dados, a interface escolhida foi o pendrive, tanto devido ao fato do
kit de desenvolvimento (STM32F4-DISCO) possuir o hardware necessário, quanto ao fato de
o pendrive ser uma ferramenta acessível e popular. A implementação foi baseada na
tecnologia de USB OTG (On The Go) que significa: “tecnologia que permite que dois
dispositivos USB conversem entre si sem requerer os servicos de um computador pessoal”
(Maxim Integrated Products, 2002). Apesar da taxa de escrita do pendrive ser baixa, não
houve impacto na velocidade de escrita, pois os dados lidos pelo ADC possuíam uma taxa
menor ainda. Na Figura 14, pode-se observar como fica gravado o arquivo de dados no
pendrive e na Figura 15, como fica a composição dos dados de consumo e tempo dentro do
arquivo “DATA.csv”.
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Figura 14: Print screen dos dados gravados no pendrive
Fonte: Autoria própria
Os dados foram escritos no arquivo na forma “valor de corrente lido, cronômetro”, conforme
Figura 15.
Figura 15: Arquivo csv com os dados gravados
Fonte: Autoria própria
4.2.3 Display
Para auxiliar na observação dos valores de consumo uma IHM (Interface Homem
Máquina) foi utilizada. O display escolhido para tal funcionalidade foi o Nextion 3.2”, que
possui firmware próprio, ou seja, não ocupa processamento do microcontrolador principal da
aplicação. Além disso, possui uma IDE (Ambiente de Desenvolvimento Integrado) própria
23
para o desenvolvimento da interface gráfica, com diversas opções de debug. Na Figura 16,
pode-se observar o gráfico de consumo sendo exibido no display, e na Figura 17, o mesmo
sinal demonstrado na Figura 16 é exibido na Figura 17, porém no osciloscópio.
Figura 16: Dados exibidos através do display Nextion 3.2”
Fonte: Autoria própria
Figura 17: Monitoração através do osciloscópio dos mesmos dados da Figura 15
Fonte: Autoria própria
4.2.4 Analisador integrado com Hx711
O analisador integrado com Hx711 é composto por todos os módulos representados na
implementação, e na Figura 18, o fluxograma completo do analisador é demonstrado.
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Figura 18: Fluxograma do analisador de consumo implementado
Fonte: Autoria própria
Na Figura 19 está explicitado o protótipo do analisador de consumo desenvolvido.
Figura 19: Analisador de consumo finalizado
Fonte: Autoria própria
4.3. Resultados obtidos
Na análise qualitativa, cada técnica foi comparada em relação ao seu desempenho. A
precisão nesse caso, foi o ponto chave que apontou a melhor técnica. Para se obter os
resultados a instrumentação utilizada foi de extrema importância e o principal instrumento foi
um calibrador Microcal 200 do fabricante Eurotron, conforme Figura 20. Este instrumento
foi utilizado na etapa de calibração e precisão, bem como para coletar os resultados de cada
técnica implementada.
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Figura 20: Microcal 200
Fonte: EUROTRON, 2007
Comparando as duas implementações realizadas, é possível afirmar que a
implementação realizada com o ADC Hx711 se mostrou muito mais adequada, pois além de
conseguir excursionar toda a faixa de medição, possui uma precisão superior. Sendo assim,
foi escolhido como sensor da aplicação final do trabalho. A precisão do sensor com Hx711
está explicitada na Tabela 5:
Tabela 5: Precisão do sensor de corrente
Fonte: Autoria própria
Os canais A e B são correspondentes à faixa de medição a que foram destinados. O
“valor medido” corresponde às medicões do analisador projetado e o “valor esperado” é o
valor que a referência está aplicando no analisador projetado. Além disso, o “erro em mA” é a
diferenca entre o “valor esperado” e o “valor medido”. Por fim, o “erro em %” é o erro
percentual em relação ao span (Valor Final - Valor Inicial), ou seja, à faixa de medição do
sensor.
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Ensaio de rampa na entrada do canal A:
Para validar se há linearidade no sensor projetado, foi realizado um ensaio em que se
aplica uma rampa com step de 0,0010 mA indo de 0,0010 mA a 1 mA, com um multímetro de
em série no circuito para realizar a comparação em relação ao analisador projetado, conforme
Gráficos 3 e 4.
Gráfico 3: Rampa vista pelo multímetro de
Fonte: Autoria própria
Gráfico 4: Rampa vista pelo analisador projetado
Fonte: Autoria própria
A diferença entre número de amostras no multímetro e do analisador existe em
decorrência do fato do intervalo de aquisição entre as ferramentas serem diferentes.
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Ensaio de rampa na entrada do canal B:
Da mesma forma, como foi realizado o ensaio para o canal A, foi realizado um ensaio
em que se aplica uma rampa com step de 0,100 mA indo de 0,100 mA a 20 mA, com um
multímetro de em série no circuito para realizar a comparação em relação ao analisador
projetado, conforme Gráficos 5 e 6.
Gráfico 5: Rampa vista pelo multímetro de
Fonte: Autoria própria
Gráfico 6: Rampa vista pelo analisador projetado
Fonte: Autoria própria
A diferença entre número de amostras no multímetro e do analisador existe em
decorrência do fato do intervalo de aquisição entre as ferramentas serem diferentes.
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5. CONCLUSÃO
O presente trabalho apresentou o desenvolvimento de um analisador de consumo com
registrador integrado, tendo como maior e já esperado desafio, a implementação de um sensor
de corrente capaz de realizar leituras de qualidade em uma faixa de 1 uA a 20 mA. Após
diversas implementações e testes, o objetivo foi alcançado, com base nos ensaios realizados,
foi possível concluir que o sensor implementado com o Hx711 é linear, com sua utilização a
resolução projetada foi atendida e a faixa de leitura estimada foi alcançada. A precisão está
menor que 0,1% da faixa de leitura, estando dentro do esperado para o circuito já que a
maioria dos resistores utilizados possui precisão de 0,1%.
Em comparação com o analisador lógico e com o osciloscópio, existe a vantagem de
poder registrar dados por períodos longos e o fato de possuir display faz com que as amostras
possam ser monitoradas de forma visual e em tempo real. Comparando com o multímetro de,
a principal vantagem frente a esse dispositivo é o tamanho dos arquivos em que os dados são
registrados e o tempo máximo de aquisição, que geralmente não ultrapassa uma hora.
Em comparação com os dispositivos já existentes, o analisador projetado obteve um
maior intervalo de aquisição, o que pode ocasionar perda de amostras. É importante salientar
que isso não inviabiliza o projeto, apenas o limita em relação a dispositivos específicos que
possuem picos de consumo com pequeno intervalo de tempo entre si. Esta limitação está
presente devido ao fato de ter sido utilizado um ADC de alta resolução do tipo sigma-delta
(Hx711) que gera amostras mais estáveis, mas possui baixa frequência de operação. Como o
exposto na teoria de conversores analógico-digital (Quadro 1) é difícil conseguir realizar
leituras com alta resolução, com filtros de supressão de ruído e em altas velocidades, sendo
esse o fator limitante do analisador projetado.
Sendo assim, cabe salientar a necessidade de estudos que contemplem estimativa de
tempo de vida de bateria através de análise de consumo, principalmente em relação a
topologias de circuito eficazes e com uso de poucos componentes, por exemplo, um circuito
integrador de corrente.
Além disso, como melhoria deste projeto, um circuito que trate o dado com filtros de
supressão de ruído antes de ser lido pelo ADC abriria a possibilidade de utilizar um ADC de
menor resolução e maior velocidade de conversão. Resolvido o problema de latência na
leitura, projetos que associem memórias formando um buffer de dados armazenados
reduziriam significativamente o risco de perda de dados durante o ensaio.
29
6. REFERÊNCIAS
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AVIA SEMICONDUCTOR. 24-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) for Weigh
Scales. Hx711, v. 9530, n. 592, p. 1–9, 2016.
BRONDANI, M. Modelagem Matemática do Tempo de Vida de Baterias de Lítio Íon
Polímero utilizando Algoritmos Genéticos. 2015.
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<https://www.collinsdictionary.com/pt/dictionary/english/wheatstone-bridge> Acesso
em novembro de 2017.
ELECROW, Weight Sensor Amplifier- HX711. Disponível em:
<https://www.elecrow.com/weight-sensor-amplifier-hx711-p-715.html>. Acesso em
outubro de 2017.
EUROTRON. MicroCal 200/200+ MicroCal 2000+. 2007.
HONEYWELL INC. MICRO SWITCH Sensing and Control: Hall Effect Sensing and
Application. MICRO SWITCH Sensing and Control, p. 126, [s.d.].
HUDGINS, D. Precision , Low-Side Current Measurement. p. 1–3, 2016.
KANSAL, S.; KAUR, J. Study of Various ADCs and Compare Their Performance and
Parameters. International Journal of Advanced Engineering Research and
Technology (IJAERT), v. 3, n. 3, p. 88–99, 2015.
MAXIM INTEGRATED. Disponível em:
<https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1822> Acesso em
dezembro de 2017.
SEVERNS, R. IMPROVING AND SIMPLIFYING HF DC CURRENT SENSORS
Rudolf Severns Springtime I n c . Mountain View, CA 94043. p. 180–183, 1986.
SHEPARD, D. E.; YAUCH, D. W. an Overview of Rogowski Coil Current Sensing
Technology. p. 13, 2010.
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Disponível em: <
http://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2015/07/10/six-ways-to-
sense-current-and-how-to-decide-which-to-use >. Acesso em setembro de 2017.
TIPLER, PAUL ALLEN. Fisica para cientistas e engenheiros, volume 2 : eletricidade
e magnetismo, 1933.
30
USB OTG. USB On-The-Go and Embedded Host. Disponível em:
<http://www.usb.org/developers/onthego/>.Acesso em setembro de 2017.
ZHEN, Y. Current Sensing Circuit Concepts and Fundamentals. Report, p. 1–12,
2010.
ZIEGLER, S. et al. Transformer Based DC Current Sensor for Digitally Controlled
Power Supplies. [s.d.].
7. AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer infinitamente ao meu pai Ivomar Schmidt e a minha mãe Clair
Bernadete Canabarro Schmidt, por terem sido fontes inesgotáveis de amor e que sempre
estiveram ao meu lado durante o curso. Quero agradecer também às minhas irmãs Vitória
Canabarro Schmidt e Aline Canabarro da Rosa, pelo total apoio e por sempre me motivarem a
sempre dar risada da própria desgraça, agradecer o meu sobrinho Pierre Canabarro que
sempre manteve meu coração quentinho de tanto amor e carinho.
Um agradecimento especial ao meu namorado Tiago Sebastiany, que sempre esteve ao
meu lado e que teve uma paciência inesgotável nesse período do curso, além de sempre me
motivar a nunca desistir dos meus sonhos. Quero agradecer aos meus amigos, que sempre
foram compreensivos quanto à minha ausência devido ao curso: Camille Langdraf, Rebecca
Arôca, Bruno Teixeira, Thiago Sousa, Gabriel Guerguen e Maria Reinisch.
Meus profundos agradecimentos à NOVUS por todo o apoio e compreensão
concedidos à mim nesses anos de curso. Agradeço imensamente aos amigos que fiz e que
foram peças fundamentais para que eu conseguisse concluir essa etapa: Giuliano Guarese,
Elisandra Lazaretti, Vânder Schwartzhaupt, Camila Zen, Bruno Albuquerque, Douglas Borba
e demais colaboradores do P&D.
Quero agradecer também aos mestres que foram de fundamental importância para meu
desenvolvimento acadêmico e profissional, por todos os ensinamentos passados durante esses
cinco anos, sou imensamente grata.
