專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)線可夾置電流探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及用于測(cè)量電流的幅值的設(shè)備和方法。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的設(shè) 備和方法提供通過(guò)可夾置電流探測(cè)器(clamp-oncurrent probe)來(lái)測(cè)量電流。
背景技術(shù)：
可夾置電流探測(cè)器用于對(duì)經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的電流進(jìn)行非接觸電流測(cè)量，而無(wú)需中斷所測(cè) 試的電路。測(cè)量經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的電流的其它方法包括使用分流電阻器(shunt resistor)。使用 分流電阻器的缺點(diǎn)包括但不限于固有功率損耗、需要中斷電路通路以插入聯(lián)線的儀表、產(chǎn) 生熱量，以及與測(cè)試中的電路電絕緣的缺乏。2008年4月22日發(fā)出的標(biāo)題為“INTEGRATED CURRENT SENSOR”的美國(guó)專(zhuān)利No. 7362086 (Dupuis等人)描述用于檢測(cè)電路的特定點(diǎn)處的 電流的各種方法，包括采用耦合電感器用于響應(yīng)于所檢測(cè)電流而生成輸出電流。1996年2月20日發(fā)出并且授權(quán)給本發(fā)明的相同受讓人的標(biāo)題為“⑶RRENT PROBE” 的美國(guó)專(zhuān)利5493211 (Clifford Baker)描述采用霍耳效應(yīng)傳感器用于測(cè)量導(dǎo)體中的電流的 電流探測(cè)器。可夾置電流探測(cè)器通常使用香蕉插座或其它形式的電纜連接來(lái)連接到例如數(shù)字 萬(wàn)用表、示波器、數(shù)據(jù)獲取單元、功率表和其它各種儀器等測(cè)試設(shè)備。一些可夾置電流探測(cè) 器是完全自持式的，并且具有所測(cè)量電流的幅值的直觀指示，但是沒(méi)有連接到外部?jī)x器的 部件。然而，存在某些環(huán)境，其中在電流探測(cè)器與測(cè)試和測(cè)量?jī)x器或數(shù)據(jù)采集儀器之間 使用這種有線接口可能是不合乎需要的，或者甚至對(duì)用戶(hù)是危險(xiǎn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的設(shè)備和方法對(duì)經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的電流執(zhí)行非接觸測(cè)量而無(wú)需中斷所測(cè)試的電 路，并且向接收單元無(wú)線傳送所測(cè)量的數(shù)據(jù)。本發(fā)明的設(shè)備當(dāng)夾在導(dǎo)體周?chē)鷷r(shí)可測(cè)量經(jīng)過(guò) 該導(dǎo)電的電流，并且向接收單元無(wú)線傳送數(shù)據(jù)。本發(fā)明的設(shè)備可將這個(gè)數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)獲 取系統(tǒng)、測(cè)試和測(cè)量?jī)x器或者其中可嵌入該接收單元的其它主設(shè)備。可根據(jù)需求使接收單 元所接收的信息可用，或者可以可選地存入該信息。本發(fā)明的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器將可夾置電流探測(cè)器與嵌入系統(tǒng)進(jìn)行組合，其中 嵌入系統(tǒng)包括RF收發(fā)器用于使固定測(cè)試設(shè)備能夠連接到電流探測(cè)器，而無(wú)需考慮電纜連 接問(wèn)題，例如大小、電纜的物理磨損、重量、成本、電噪聲、損耗以及與物理連接相關(guān)的其它 問(wèn)題等。本發(fā)明的設(shè)備和方法還準(zhǔn)許在先前不可能的環(huán)境和情形中使用電流探測(cè)器。本發(fā)明的設(shè)備可由有線串行通信部件或者由集成射頻(RF)收發(fā)器來(lái)控制和查詢(xún)。RF收發(fā)器可利用專(zhuān)有通信協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線通信協(xié)議，例如ZigBee、藍(lán)牙或者IEEE通信 標(biāo)準(zhǔn)的任一個(gè)。該設(shè)備的許多配置設(shè)定可由用戶(hù)通過(guò)從已確立的命令集向設(shè)備發(fā)出命令來(lái) 改變。本發(fā)明的設(shè)備可將數(shù)字處理器用于信號(hào)處理，以便執(zhí)行所有核心功能。這使設(shè)備能 夠通過(guò)修改固件的形式來(lái)添加功能性，而不是修改現(xiàn)有電路或者添加其它電路。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器系統(tǒng)的基本高級(jí)框圖。圖2A是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器模擬前端部分的示意圖。圖2B是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器+2. 5V電壓參考部分的示意圖。圖2C是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器模數(shù)(ADC)轉(zhuǎn)換器部分的示意圖。圖2D是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器微控制器部分的示意圖。圖2E是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器+3. 3V升降壓(Buck-Boost)DC-DC 轉(zhuǎn)換器部分的示意圖。圖2F是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器+3. 3V延遲后加電(rail on after delay)部分的示意圖。圖2G是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器-15V升壓DC-DC逆變器(inverter) 部分的示意圖。圖2H是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器+15V升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器部分的示意圖。圖21是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器鋰離子/聚合物電荷管理控制器部 分的示意圖。圖2J是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器數(shù)字RF收發(fā)器部分的示意圖。圖3A是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器基本高級(jí)固件流程圖。圖3B和圖3C形成可用于操作單元的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)命令的單個(gè)表。圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的接收系統(tǒng)的基本高級(jí)框圖。圖5A是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的接收器模擬前端部分的示意圖。圖5B是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的接收器+2. 5V電壓參考部分的示意圖。圖5C是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的接收器微控制器部分的示意圖。圖5D是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的接收器+3. 3V調(diào)節(jié)器(regulator)的示意圖。圖5E是本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的接收器數(shù)字RF收發(fā)器部分的示意圖。圖6A是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的接收器基本高級(jí)固件流程圖。圖6B是形成可用于操作單元的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)命令的另一個(gè)表。圖7是根據(jù)主題發(fā)明的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器的等比例圖示。圖8是根據(jù)主題發(fā)明的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器接收器單元的等比例圖示。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的設(shè)備和方法可用于對(duì)經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的電流進(jìn)行非接觸電流測(cè)量而無(wú)需中斷 所測(cè)試的電路，并且向接收單元無(wú)線傳送所測(cè)量的數(shù)據(jù)。本發(fā)明的設(shè)備可夾到導(dǎo)體上，以便 測(cè)量經(jīng)過(guò)其中的電流，并且向接收器單元無(wú)線傳送所測(cè)量的電流值。可按照需求使這個(gè)信息可用，或者可選地存入這個(gè)信息。本發(fā)明的設(shè)備可包括各種元件，它們根據(jù)設(shè)備的用途以不同組合設(shè)置。可存在于 本發(fā)明的設(shè)備中的這類(lèi)元件包括但不限于電壓調(diào)節(jié)器、精確電壓參考、無(wú)線電收發(fā)器、電池 電荷管理控制器、鋰電池、微控制器、非易失性存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、霍耳效應(yīng)傳感器、儀表 放大器(instrumentation amplifier)、運(yùn)算放大器以及優(yōu)化特定用途的設(shè)備的其它元件。圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器系統(tǒng)100的基本高級(jí)框圖，它示出系統(tǒng)中例 如功率、模擬、數(shù)字和RF等的所有主要分支電路之間的關(guān)系。傳送單元的主電源是鋰電池 105，其電壓范圍從完全充電時(shí)的4. 2V到耗盡時(shí)的大約3. 0V。電壓調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)來(lái)自鋰 電池105的電源電壓，因?yàn)樽酉到y(tǒng)所使用的電壓需要固定在特定電壓電平。本發(fā)明的設(shè)備 包括+3. 3V、+15V和-15V開(kāi)關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器110、115、120，它們向所有子系統(tǒng)提供所需 的恒定電壓(甚至當(dāng)電池電壓在單元處于使用中時(shí)下降)?；舳?yīng)傳感器125可用作用 于將攜帶電流的導(dǎo)體生成的所檢測(cè)磁場(chǎng)的幅值轉(zhuǎn)換成代表性電壓的換能器。信號(hào)調(diào)整電路 130對(duì)來(lái)自霍耳效應(yīng)傳感器的輸出電壓進(jìn)行濾波并且縮放到適合于ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)135 的輸入范圍的幅值。ADC 135把來(lái)自信號(hào)調(diào)整電路的輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)字 數(shù)據(jù)被施加到微控制器140供處理和格式化，然后順次發(fā)送到RF數(shù)據(jù)鏈路145，以便無(wú)線傳 送到(圖4的)接收單元400。圖2A是主題發(fā)明的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器發(fā)射器的模擬前端的一個(gè)實(shí)施例的示 意圖。電位計(jì)P0T1用作霍耳效應(yīng)傳感器125的單端輸出信號(hào)的衰減器?？墒褂眯⌒蜋C(jī)械 式多圈電位計(jì)，但是在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電位計(jì)P0T1可以是更可靠的固態(tài)數(shù)字電位計(jì)。運(yùn)算放大器(Op-amp) U1A用于緩沖從P0T1的游標(biāo)端子(wiperterminal)所接收 的經(jīng)衰減的霍耳效應(yīng)傳感器信號(hào)。Op-amp U1D用于緩沖來(lái)自+2. 5V電壓參考147的輸出。 Op-amp U1A和U1D的輸出信號(hào)通過(guò)由電阻器R2、R6和R29組成的求和網(wǎng)絡(luò)耦合到另一個(gè) Op-ampUlB。Op-amp U1B和電阻器R5、R7構(gòu)成放大器，它用于對(duì)0p-ampUlA的輸出信號(hào)(即 傳感器信號(hào))以及來(lái)自O(shè)p-amp U1D的經(jīng)緩沖的+2. 5V參考電壓進(jìn)行求和并且縮放。Op-amp U1B的求和輸出這時(shí)是經(jīng)過(guò)縮放和偏移調(diào)整的以便優(yōu)化ADC 135 (圖2C中的U2)的電壓輸 入范圍使用的信號(hào)。放大器U1B的輸出信號(hào)耦合到包括電阻器R3和R4、電容器C1和C4以 及另一個(gè)Op-amp U1C的濾波器。Op-amp U1C配置為二階低通濾波器，它用于限制將要施加 于ADC 135輸入端子的信號(hào)的帶寬。圖2B示出+2. 5V電壓參考源147的細(xì)節(jié)。電壓調(diào)節(jié)器148在輸入端子接收+15V， 并且在其輸出端子產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的+2. 5V電壓。電容器C7和C8對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波，以便消 除不希望的噪聲。將經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓施加到包括電阻器R9和R10以及電位計(jì)P0T2的分 壓器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道，電位計(jì)P0T2也可是固態(tài)類(lèi)型的，如上所述。電位計(jì)P0T2 的調(diào)節(jié)引起在+2. 5V Ref輸出端子形成的電壓略微改變。也就是說(shuō)，+2. 5V電壓參考源147 的輸出可使用P0T2來(lái)調(diào)節(jié)，以便略微調(diào)節(jié)圖2A的Op-amp U1B的輸入端的模擬輸出信號(hào)的 偏移量。參照?qǐng)D2C，ADC 135用于對(duì)來(lái)自霍耳效應(yīng)傳感器125的經(jīng)調(diào)整的輸出信號(hào)進(jìn)行取 樣，并且將其轉(zhuǎn)換成微控制器140(圖2D中的U4)可通過(guò)數(shù)字方式處理的16位數(shù)字字?？?使用更低或更高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但是，16位ADC的當(dāng)前成本和分辨率使它適合于這 種應(yīng)用。電容器C2和C3分別對(duì)+3. 3V電源和+2. 5V參考信號(hào)進(jìn)行濾波。ADC 135可以是例如 Texas Instruments 制造的 LTC1864。參照?qǐng)D2D，微控制器140控制設(shè)備的所有智能功能。所有板載主要集成電路均設(shè) 計(jì)成由處理器/微控制器控制并且與其接口。本發(fā)明的設(shè)備可設(shè)計(jì)成結(jié)合各種類(lèi)型的處 理器的任一種，例如但不限于復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)、精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)、哈佛 架構(gòu)、馮 諾伊曼架構(gòu)以及改良的哈佛架構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)或數(shù)字信號(hào)處理 器(DSP)也可用于實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)。優(yōu)選微控制器具有小占用面積、低管腳數(shù)、充足的程序存儲(chǔ) 器、低功耗、集成的振蕩器以及外設(shè)和數(shù)字通信接口的豐富集合。微控制器140負(fù)責(zé)以常 規(guī)時(shí)間間隔對(duì)ADC進(jìn)行輪詢(xún)，因而對(duì)從霍耳效應(yīng)傳感器125所輸出的經(jīng)調(diào)整的信號(hào)進(jìn)行采 樣，它用于根據(jù)從ADC 135所獲得的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算所測(cè)量電流的幅值、向系統(tǒng)的RF收發(fā)器U13 傳送電流幅值信息、檢查系統(tǒng)電池的狀態(tài)，以及與主機(jī)系統(tǒng)接口，以便允許終端用戶(hù)配置系 統(tǒng)設(shè)定。微控制器140可以是例如Microchip Technology Inc.所制造的DSPIC。單總線 緩沖器柵極/線路驅(qū)動(dòng)器U5在系統(tǒng)啟動(dòng)期間隔離RF收發(fā)器(圖2J中的145)輸出的接 收信號(hào)以免到達(dá)微控制器140接收管腳。適當(dāng)?shù)膯慰偩€緩沖器柵極/線路驅(qū)動(dòng)器是Texas Instruments 所制造的 SN74AHCT1G126。圖2E是+3. 3V升降壓(buck/boost)開(kāi)關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器110的更詳細(xì)圖示。芯 片U7用于把來(lái)自鋰離子電池105或者來(lái)自外部+5. 0V電源的4. 2V-3. 0V轉(zhuǎn)換到固定的 +3. 3V輸出電壓。線圈L1耦合到芯片U7，并且用于開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)過(guò)程。電容器C16對(duì)進(jìn) 入的電池電壓進(jìn)行濾波，以及電容器C15對(duì)+3. 3V輸出電壓進(jìn)行濾波。這個(gè)+3.3V “軌道 (rail) ” (BP,電源電平)用于向微控制器140、ADC 135和無(wú)線電收發(fā)器U13供電。為了防止這個(gè)開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器在+3. 3V輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前向先前所述電路供電， 實(shí)施“延遲后加電”電路，如圖2F所示。+3. 3V調(diào)節(jié)器110的輸出連接到可以是FET晶體 管開(kāi)關(guān)的Q1的源端子S以及還連接到由R18、R19和C17組成的電阻器/電容器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng) +3. 3V調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)并且經(jīng)過(guò)了網(wǎng)絡(luò)R18、C17的時(shí)間常數(shù)所確定的一段時(shí)間時(shí)， 逆變器U8的輸入端的電壓電平使得逆變器U8的輸出管腳將從+3. 3V轉(zhuǎn)變成0V。當(dāng)Q1的 柵極端子G為低時(shí)，其源極端子S的+3. 3V (+3. 3V_PRI)將傳給漏極端子D，從而允許+3. 3V 軌道上的電路被加電。圖2G和圖2H分別所示的開(kāi)關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器120、115用于分別采用+15. 0V 和-15. 0V對(duì)霍耳效應(yīng)發(fā)生器進(jìn)行偏壓。參照?qǐng)D2G，集成電路開(kāi)關(guān)模式負(fù)電壓調(diào)節(jié)器U9接 收來(lái)自鋰離子電池電荷管理電路107的電池電壓，并且在其輸出端子提供-15V。電容器C19 和C20對(duì)進(jìn)來(lái)的經(jīng)調(diào)整的電池電壓進(jìn)行濾波以去除噪聲，以及電容器C18對(duì)所生成的-15V 進(jìn)行濾波。電容器C21和電感器L2連接到集成電路開(kāi)關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器U9的端子，以便 確保其正常操作。D1是肖特基二極管，它與U9結(jié)合用來(lái)生成-15. 0V。參照?qǐng)D2H，集成電路開(kāi)關(guān)模式正電壓調(diào)節(jié)器U12接收來(lái)自鋰離子電池電荷管理電 路107的電池電壓，并且在其輸出端子提供+15V。電容器C23和C24對(duì)所生成的+15V進(jìn) 行濾波。電容器C29和電感器L3連接到集成電路開(kāi)關(guān)模式正電壓調(diào)節(jié)器U12的端子，以 便確保其正常操作。圖2H中的U12還可為系統(tǒng)微控制器提供電池狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)電池消耗 至低于在電阻器R26與R28之間的公共節(jié)點(diǎn)所測(cè)量的某個(gè)預(yù)定閾值時(shí)，集成電路開(kāi)關(guān)模式 正電壓調(diào)節(jié)器U12將輸出管腳拉到低電平(即，吸取經(jīng)過(guò)上拉電阻器R24的電流)，由此發(fā) 信號(hào)通知系統(tǒng)微控制器關(guān)于電池應(yīng)當(dāng)馬上充電。D2是肖特基二極管，它與U12結(jié)合用來(lái)生成-15. OVo圖21示出鋰離子電池電荷管理電路107的附加細(xì)節(jié)。參照?qǐng)D21，集成電路U11用 于管理系統(tǒng)鋰離子/聚合物電池105的充電。當(dāng)+5V的外部電源連接到單元107的+5V_ Batt_Charge端子時(shí)，使集成電路U10和U11通電。在操作中，電荷管理控制器U11接收所 施加的外部+5V電平，并且形成適當(dāng)電壓電平對(duì)電池105充電。電荷管理控制器U11最初經(jīng)由NTC1 (負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)檢查電池的溫度， NTC1與R27結(jié)合構(gòu)成分壓器電路。熱敏電阻NTC1安裝在接近鋰離子電池105，以便感測(cè)電 池105的溫度。隨著熱敏電阻NTC1所感測(cè)的電池溫度增加，其電阻減小，從而引起分壓器比 的變化以及在熱敏電阻NTC1和電阻器R27的公共節(jié)點(diǎn)所形成的電壓的對(duì)應(yīng)變化，其中電壓 的變化施加到電荷管理控制器U11的輸入端子。如果電池的溫度是在所確立的極限之內(nèi)， 則電荷循環(huán)(charge cycle)開(kāi)始，并且將U11的管腳號(hào)2拉到低電平，而將管腳號(hào)1拉到 高電平(即，控制器U11吸取經(jīng)過(guò)耦合到上拉電阻器R20的端子的電流，而沒(méi)有吸取經(jīng)過(guò)耦 合到上拉電阻器R21的端子的電流)。電阻器R20和R21的一端耦合在一起，并且耦合到 +5V源。電阻器R20和R21各自的第二端耦合到逆變器U10的相應(yīng)輸入端子，用于對(duì)其施加 邏輯電平信號(hào)。在將逆變器U10的管腳號(hào)3拉到邏輯低電平時(shí)，管腳號(hào)4設(shè)置為高電平，它將對(duì)雙 色LEG (綠/紅)108的綠色元件進(jìn)行偏壓，從而使電流流經(jīng)限流電阻器R23。點(diǎn)亮LED 108 的綠色部分表示電池正確地進(jìn)行充電。當(dāng)充電循環(huán)成功完成時(shí)，LED 108的綠色部分關(guān)掉。 如果電池的溫度過(guò)高或者過(guò)低，則在施加外部電力時(shí)，禁止電荷循環(huán)，將控制器U11的管腳 號(hào)2拉到高電平(使LED 108的綠色部分熄滅)，并且管腳號(hào)1以1Hz的速率在高與低邏 輯狀態(tài)之間交替。這種狀況使紅色/綠色荷電狀態(tài)LED 108以1Hz的速率閃爍紅色。電 容器C22耦合到+5V_Batt_Chage電平并且對(duì)其進(jìn)行濾波，以及電容器C27耦合到電池電壓 +VBAT并且對(duì)其進(jìn)行濾波。電容器C25和C26以及電阻器R25耦合到控制器U11，并且用于 確保其正確操作。圖2J示出RF數(shù)據(jù)鏈路145的附加細(xì)節(jié)。在本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例中，圖2J 所示的Zigbee無(wú)線電集成電路U13用于以常規(guī)間隔或者僅在查詢(xún)時(shí)才向接收單元無(wú)線傳 送由無(wú)線可夾置電流探測(cè)器所測(cè)量的電流幅值。微控制器140與Zigbee無(wú)線電芯片U13 之間的通信經(jīng)由簡(jiǎn)單邏輯電平通用異步串行端口接口(UART)在Zigbee無(wú)線電芯片U13的 管腳號(hào)2、3上以及在微控制器140的管腳號(hào)33、34上被操縱。接口不僅用于通過(guò)空中向接 收單元400傳送數(shù)據(jù)，而且還用于配置Zigbee無(wú)線電，使得它可與個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的其它 Zigbee無(wú)線電正確通信。Zigbee無(wú)線電集成電路U13可以是Digi International所制造 的 XB24-Z7WIT-004。主題發(fā)明的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器發(fā)射器的基本固件流程圖300如圖3A所示。在 步驟305進(jìn)入該例程，并且進(jìn)行到步驟310，其中對(duì)微控制器140加電。在系統(tǒng)在步驟320 加電時(shí)，微控制器140 (圖2D的U4)初始化設(shè)備上的所有輸入/輸出端口，初始化變量，從 非易失性存儲(chǔ)器讀取和加載數(shù)據(jù)系數(shù)，檢查電池狀態(tài)，以及配置Zigbee無(wú)線電供使用。在 步驟330，可夾置電流探測(cè)器將采用ADC 135對(duì)霍耳效應(yīng)傳感器的輸出進(jìn)行取樣，采用控制 器140來(lái)處理數(shù)字化數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用戶(hù)配置，該單元?jiǎng)t準(zhǔn)備等待來(lái)自接收單元的命令，或 者將檢查活動(dòng)接收器以便以用戶(hù)定義的常規(guī)間隔發(fā)送電流測(cè)量，或者只是處于空閑狀態(tài)，直到電流測(cè)量樣本被請(qǐng)求。圖4示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的接收器系統(tǒng)400的基本高級(jí)框圖，它示出系統(tǒng)中 例如功率、模擬、數(shù)字和RF等的所有主要分支電路之間的關(guān)系。接收單元的主電源是由終 端用戶(hù)所提供的士 15V電源410、415。由于子系統(tǒng)所使用的電壓必須是固定的特定電壓，所 以可要求使用電壓調(diào)節(jié)器。本發(fā)明的設(shè)備包括兩個(gè)+3. 3V線性電壓調(diào)節(jié)器420、425，它們向 所有數(shù)字子系統(tǒng)提供所需的恒定電壓。RF數(shù)據(jù)鏈路430接收由可夾置電流探測(cè)器傳送的數(shù) 據(jù)，并且將它順次轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)微控制器440。微控制器440格式化進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)，并且將它順次傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 435。微 控制器440還負(fù)責(zé)操縱用戶(hù)接口 405。DAC 435把來(lái)自微控制器440的進(jìn)來(lái)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成模擬信號(hào)。然后，信號(hào)調(diào)整電路445與電壓參考電路450結(jié)合，對(duì)來(lái)自DAC 435的模擬 信號(hào)進(jìn)行濾波、移位和放大，使得它這時(shí)表示無(wú)線可夾置探測(cè)器發(fā)射器所測(cè)量的電流信號(hào) 的幅值，并且在輸出電路455輸出該模擬信號(hào)供終端用戶(hù)使用。終端用戶(hù)還可檢索由微控 制器440產(chǎn)生的數(shù)字形式的輸出信號(hào)。圖5A是無(wú)線可夾置電流探測(cè)器接收器單元400的模擬信號(hào)調(diào)整電路445的示意 圖。電位計(jì)P0T401用作來(lái)自DAC 435的輸出信號(hào)的衰減器。與電阻器R402、R403和電容 器C402、C403結(jié)合的0p-ampU402A配置為二階低通濾波器(抗映像濾波器)，它用于在將 DAC輸出信號(hào)施加到第二 Op-amp U402B的輸入端子之前限制其帶寬。Op-amp U402D用于 緩沖來(lái)自+2. 5V電壓參考450 (用于對(duì)來(lái)自DAC435的輸出添加偏移量)的輸出。+2. 5V電 壓參考450的輸出可使用圖5B的電位計(jì)P0T402來(lái)調(diào)節(jié)，以便略微調(diào)節(jié)模擬輸出信號(hào)的偏 移量。Op-amp U402B用于對(duì)U402A的輸出、DAC 435的輸出信號(hào)和Op-amp U402D的輸出信 號(hào)(經(jīng)緩沖的+2. 5V參考電壓)進(jìn)行求和。電阻器R404和R407構(gòu)成用于縮放經(jīng)調(diào)整的模 擬信號(hào)的分壓器。包括Op-amp U402C和增益設(shè)定電阻器R408、R409的放大器電路用于放 大Op-amp U402B的輸出信號(hào)。Op-amp U402C的輸出這時(shí)是經(jīng)過(guò)縮放和偏移的信號(hào)，并且是 由接收單元400所產(chǎn)生的最終模擬輸出信號(hào)。圖5B示出+2. 5V電壓參考源450的細(xì)節(jié)。電壓調(diào)節(jié)器U403在輸入端子接收+15V， 并且在其輸出端子產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的+2. 5V電壓。電容器C406和C407對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波，以 便消除不希望的噪聲。將經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓施加到包括電阻器R410、R412和電位計(jì)P0T402 的分壓器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道，電位計(jì)P0T402也可以是固態(tài)類(lèi)型的，如上所述。電 位計(jì)P0T4022的調(diào)節(jié)引起在+2. 5V Ref輸出端子所形成的電壓略微改變。也就是說(shuō)，+2. 5V 電壓參考源450的輸出可使用P0T402來(lái)調(diào)節(jié)，以便略微調(diào)節(jié)圖5A的Op-amp U402D的輸入 端的模擬輸出信號(hào)的偏移量。圖5C中的微控制器440控制設(shè)備的所有智能功能。所有板載主要集成電路均設(shè) 計(jì)成由處理器/微控制器控制并且與其接口。接收單元中的微控制器440負(fù)責(zé)經(jīng)由其UART 從Zigbee無(wú)線電接收數(shù)據(jù)，向DAC 435提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，控制DAC 435向信號(hào)調(diào)整電路445 提供模擬輸出信號(hào)，可選地經(jīng)由串行接口以數(shù)字方式輸出數(shù)據(jù)，并且采用其UART接口來(lái)允 許用戶(hù)在外部配置單元。微控制器440可以是例如Microchip Technology Inc.所制造的 DSPIC。圖5C的U405是單總線緩沖器柵極/線路驅(qū)動(dòng)器。圖5D示出一對(duì)線性電壓調(diào)節(jié)器420、425，它們用于把來(lái)自終端用戶(hù)的輸入電壓降 低到已知且可使用的電壓。電壓調(diào)節(jié)器U406是+3. 3V調(diào)節(jié)器，它用于向微控制器440和DAC 435供電。電壓調(diào)節(jié)器U407也是+3. 3V調(diào)節(jié)器，并且用于向Zigbee無(wú)線電430供電。 兩個(gè)分立+3. 3V電壓調(diào)節(jié)器用來(lái)代替一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器，以便對(duì)各設(shè)備將電壓調(diào)節(jié)器集成電 路的功率消耗保持在最小值。參照?qǐng)D5E，主題的接收器實(shí)施例400使用Zigbee無(wú)線電(radio) 430無(wú)線接收指 示傳送無(wú)線可夾置電流探測(cè)器所測(cè)量電流的幅值的數(shù)據(jù)。該設(shè)備可配置成使得信息以常規(guī) 間隔或者僅當(dāng)查詢(xún)時(shí)才接收/發(fā)送。微控制器440與Zigbee無(wú)線電集成電路431之間的 通信經(jīng)由對(duì)于發(fā)射電路所述的簡(jiǎn)單邏輯電平通用異步串行端口接口(UART)來(lái)操縱。無(wú)線可夾置電流探測(cè)器接收器400的基本固件流程圖600如圖6A所示。在步驟 605進(jìn)入該例程，并且進(jìn)行到步驟610，其中對(duì)微控制器440初始化。在系統(tǒng)在步驟615加 電時(shí)，微控制器440初始化設(shè)備上的所有輸入/輸出端口，初始化變量，從非易失性存儲(chǔ)器 讀取和加載數(shù)據(jù)系數(shù)，以及配置Zigbee無(wú)線電430供使用。根據(jù)用戶(hù)配置，該單元?jiǎng)t準(zhǔn)備 等待來(lái)自傳送單元的詢(xún)問(wèn)命令。如果接收到詢(xún)問(wèn)命令，則接收單元將采用命令接收確認(rèn)進(jìn) 行響應(yīng)，它允許傳送單元知道接收單元是活動(dòng)的并且準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。如果傳送單元設(shè)置成 流式傳輸數(shù)據(jù)，則在步驟620，接收單元的微控制器將經(jīng)由UART從Zigbee無(wú)線電430接收 數(shù)據(jù)流。微控制器440又將控制DAC 435來(lái)更新模擬輸出信號(hào)，或者可選地經(jīng)由串行通信 以數(shù)字方式輸出所接收的數(shù)據(jù)。根據(jù)這個(gè)特定實(shí)施例，設(shè)備的校準(zhǔn)涉及傳送設(shè)備100上的增益和偏移電位計(jì)P0T1 和P0T2以及接收設(shè)備400的P0T401和P0T402的調(diào)節(jié)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電位計(jì)由數(shù) 字電位計(jì)或者可編程電流源或者兩者的組合來(lái)替代，從而允許通過(guò)自動(dòng)部件來(lái)校準(zhǔn)設(shè)備。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可使用+5V組件，從而要求+5V模擬和數(shù)字電壓軌道。 這個(gè)實(shí)施例可要求相對(duì)較多功率進(jìn)行操作。備選地，可采用具有極低功率要求的+1. 8V電 子組件。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所使用的所選數(shù)字和混合信號(hào)組件全部都是低功率+3. 3V 裝置，例如CMOS裝置。溫度補(bǔ)償可結(jié)合到本發(fā)明的設(shè)備中，以便增加電流測(cè)量的精準(zhǔn)度(特別是當(dāng)設(shè)備 將用于其溫度與之前它被校準(zhǔn)的環(huán)境有顯著不同的環(huán)境中使用時(shí))。例如，在大多數(shù)霍耳效 應(yīng)裝置的給定磁場(chǎng)水平的輸出電壓隨溫度升高而減小。溫度感測(cè)設(shè)備(熱敏電阻、熱電偶 或者專(zhuān)用溫度感測(cè)集成電路)的輸出可用于補(bǔ)償感測(cè)元件(本發(fā)明中當(dāng)前設(shè)計(jì)的霍耳效應(yīng) 設(shè)備)的輸出的溫度系數(shù)。這種補(bǔ)償可在模擬電路中通過(guò)改變放大器的增益或者控制電流 水平來(lái)執(zhí)行。溫度補(bǔ)償還可由本發(fā)明的設(shè)備的微控制器部分采用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行，其采用感 測(cè)元件的溫度系數(shù)數(shù)據(jù)(不管是典型的經(jīng)驗(yàn)得出值還是實(shí)際測(cè)量值)。溫度傳感器可以是 數(shù)字的，并且可由微控制器140來(lái)控制和讀取。本發(fā)明的設(shè)備的電路的實(shí)施可通過(guò)各種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，GaAs霍耳效應(yīng)傳感器 也可以是InAs或InSb傳感器，或者備選地可使用其它磁傳感器類(lèi)型，例如但不限于磁阻 (MR/GMR)、磁光或線圈。除了優(yōu)選串行總線之外，還可采用例如以太網(wǎng)或USB等其它通信方 案。主題發(fā)明的應(yīng)用并不局限于本文所述的特定電流測(cè)量范圍極限、分辨率或精準(zhǔn)度。此 外，該設(shè)備可配置為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備、通過(guò)以太網(wǎng)加電(P0E)以及經(jīng)由因特網(wǎng)可控制，以供任 何數(shù)量的家庭、商業(yè)或工業(yè)地點(diǎn)應(yīng)用。其中可使用本發(fā)明的一種典型應(yīng)用是使用固定測(cè)試設(shè)備來(lái)無(wú)線測(cè)量經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)程設(shè) 備上的導(dǎo)體的電流。另一種可能的應(yīng)用是使用多個(gè)無(wú)線可夾置電流探測(cè)器以及一個(gè)連接到測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的無(wú)線電流探測(cè)器接收器來(lái)測(cè)量和記錄多個(gè)裝置的電流消耗，其中多個(gè)裝 置分隔數(shù)百英尺的距離。一般來(lái)說(shuō)，其中可使用本發(fā)明的典型應(yīng)用僅受到終端用戶(hù)的想像 力限制。與本發(fā)明的設(shè)備的通信以及對(duì)其的控制可通過(guò)使用市場(chǎng)銷(xiāo)售的例如但不限于C、 C++、BASIC、Fortran、Lab View、TestPoint或超級(jí)終端的變體等軟件語(yǔ)言以及可發(fā)送和 接收串行通信信號(hào)的計(jì)算機(jī)或控制器或者通過(guò)具有用于通信的串行端口的其它設(shè)備來(lái)實(shí) 現(xiàn)。通信可以在一般與RS-232C接口關(guān)聯(lián)的TTL類(lèi)型數(shù)字或雙極電壓電平。向單元發(fā)送 命令時(shí)的缺省消息終止符是回車(chē)(IxOD)，而由單元所發(fā)送的缺省消息終止符是換行和回車(chē) (0x0D,0x0A)o通信可通過(guò)直接連線連接或者與RF或光學(xué)收發(fā)器模塊結(jié)合進(jìn)行。存在四種 用戶(hù)可選波特率可用。例如操作中的單元的模型號(hào)、序列號(hào)或固件版本等各種數(shù)據(jù)可由用 戶(hù)檢索。內(nèi)部數(shù)據(jù)存入(logging)功能也是用戶(hù)可配置的以用于數(shù)據(jù)的檢索和各種定時(shí) 間隔。控制可通過(guò)基于文本的命令字符串或者例如按鈕或復(fù)選框等圖形界面來(lái)發(fā)起，僅受 到主機(jī)系統(tǒng)的特定編程語(yǔ)言或硬件能力限制。從單元所接收的數(shù)據(jù)可通過(guò)數(shù)值、圖形方式 顯示，或者存儲(chǔ)在主設(shè)備的外部存儲(chǔ)器中。通信可通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)命令集(可隨將來(lái)需要的出現(xiàn)而擴(kuò)展)來(lái)實(shí)現(xiàn)。將數(shù)值命令 發(fā)送給單元，以便改變操作模式或者檢索信息返回給主機(jī)。包含清除屏幕的命令以便特別 與Microsoft超級(jí)終端程序配合使用。用于校準(zhǔn)的其它命令是工廠專(zhuān)有的。這防止用戶(hù)意 外改變或破壞單元的校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)用戶(hù)命令集如圖3B、圖3C和圖6B所示。主題發(fā)明的可夾置無(wú)線電流探測(cè)器700的一個(gè)實(shí)施例的透視圖如圖7所示，其中 攜帶電流的導(dǎo)線(未示出)經(jīng)過(guò)探測(cè)器主體720的開(kāi)口 710以便測(cè)量電流的幅值。探測(cè)器主體720上的觸發(fā)器730由終端用戶(hù)按下，以便開(kāi)啟該開(kāi)口，并且將該設(shè)備 圍繞攜帶將要測(cè)量的電流的導(dǎo)體放置。雖然圖7所示的探測(cè)器主體720適合與主題發(fā)明配 合使用，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道，其它適當(dāng)布置同樣是可使用的。適合用作主題發(fā)明的接收器400的外殼的殼體800的透視圖如圖8所示。接收器 400可包括顯示器810，用于顯示由可夾置無(wú)線電流探測(cè)器700所測(cè)量的電流的指示。接收 器400還可具有各種連接器的一個(gè)或多個(gè)，例如香蕉插座820、BNC端子830、USB端子840 等等，用于在接收器400與外部測(cè)試和測(cè)量?jī)x器或者外部計(jì)算機(jī)(未示出)之間傳遞測(cè)量 和啟動(dòng)數(shù)據(jù)。雖然圖8的外殼800的形狀適合與主題發(fā)明配合使用，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人 員易于理解，可使用其它適當(dāng)外殼。本文所使用的連詞“或者”以“兼或”意義來(lái)使用(即，一個(gè)或另一個(gè)或者兩者)。 此外，意在傳達(dá)以下含義任一個(gè)備選均是充分的，并且所有所述備選不是必須存在的。本文所述的實(shí)施例用于進(jìn)行說(shuō)明，而不是意在以任何方式進(jìn)行限制。主題發(fā)明意 在僅受到以下權(quán)利要求書(shū)限制。
權(quán)利要求
一種無(wú)線可夾置電流探測(cè)器，包括向所述無(wú)線可夾置電流探測(cè)器提供電力的電池；耦合到所述電池并且在輸出端子產(chǎn)生電源電壓的電壓調(diào)節(jié)器；可響應(yīng)磁場(chǎng)而產(chǎn)生表示測(cè)試中的導(dǎo)體所傳送的電流的信號(hào)的換能器；信號(hào)調(diào)整電路，用于偏移和縮放表示所述電流的所述信號(hào)以便產(chǎn)生經(jīng)調(diào)整的信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)所述經(jīng)調(diào)整的信號(hào)進(jìn)行取樣，以便產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)樣本；微控制器，控制所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及用于處理所述數(shù)字信號(hào)樣本；以及射頻數(shù)據(jù)鏈路，用于所述微控制器與接收器單元之間的通信，所述射頻數(shù)據(jù)鏈路在所述微控制器的控制下進(jìn)行操作。
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器是開(kāi)關(guān)模式電 壓調(diào)節(jié)器。
3.如權(quán)利要求2所述的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器，其中，所述換能器是霍耳效應(yīng)傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器，其中，所述信號(hào)調(diào)整電路包括用于調(diào) 節(jié)所述偏移的用戶(hù)可調(diào)節(jié)裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器，其中，所述電池是鋰離子電池。
6.一種對(duì)經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的電流進(jìn)行非接觸電流測(cè)量而無(wú)需中斷所測(cè)試的電路并且向接收 單元無(wú)線傳送該測(cè)量的方法，包括以下步驟將無(wú)線可夾置電流探測(cè)器夾在所述導(dǎo)體周?chē)粰z測(cè)所述載流導(dǎo)體所生成的磁場(chǎng)；響應(yīng)所述磁場(chǎng)的檢測(cè)而生成表示所述電流的幅值的電壓；縮放所述電壓的幅值；對(duì)所述電壓取樣，并且產(chǎn)生表示所述樣本的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)； 格式化所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；以及 向接收單元發(fā)送所述數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述生成表示所述電流的幅值的電壓的步驟通過(guò)使用霍耳效應(yīng)傳感器來(lái)完成。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述格式化所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的步驟通過(guò)使用微控制 器來(lái)完成。
9.一種無(wú)線可夾置電流探測(cè)器和接收器系統(tǒng)，包括 無(wú)線可夾置電流探測(cè)器組件，包括向所述無(wú)線可夾置電流探測(cè)器供電的電池； 耦合到所述電池并且在輸出端子產(chǎn)生電源電壓的電壓調(diào)節(jié)器； 可響應(yīng)磁場(chǎng)而產(chǎn)生表示測(cè)試中的導(dǎo)體所傳送的電流的信號(hào)的換能器； 信號(hào)調(diào)整電路，用于對(duì)表示所述電流的所述信號(hào)進(jìn)行濾波以產(chǎn)生經(jīng)調(diào)整的信號(hào)； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)所述經(jīng)調(diào)整的信號(hào)進(jìn)行取樣，以產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)樣本； 微控制器，控制所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及用于處理所述數(shù)字信號(hào)樣本；以及 用于所述微控制器與接收器單元之間的通信的射頻數(shù)據(jù)鏈路，所述射頻數(shù)據(jù)鏈路在所 述微控制器的控制下進(jìn)行操作；以及所述接收器單元，所述接收器單元包括射頻接收器，用于接收來(lái)自所述探測(cè)器的所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)樣本； 微控制器，耦合到所述射頻接收器，用于接收和處理所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)樣本； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將所述處理的數(shù)字信號(hào)樣本轉(zhuǎn)換成表示測(cè)試中的所述導(dǎo)體所傳送的 電流的模擬波形，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器在所述微控制器的控制下進(jìn)行操作；信號(hào)調(diào)整電路，耦合到所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端，用于對(duì)所述模擬波形進(jìn)行接收和濾 波；以及用于向外部測(cè)試和測(cè)量?jī)x器或者向外部計(jì)算機(jī)提供所述經(jīng)濾波的模擬波形的輸出端子。
10.如權(quán)利要求9所述的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器和接收器系統(tǒng)，其中所述接收器包括用于顯示測(cè)試中的所述導(dǎo)體所傳送的所述電流的所述幅值的指示。
11.如權(quán)利要求9所述的無(wú)線可夾置電流探測(cè)器和接收器系統(tǒng)，其中所述接收器包括用于向外部測(cè)試和測(cè)量?jī)x器或者向外部計(jì)算機(jī)提供所述經(jīng)濾波的模 擬波形的連接器。
全文摘要
無(wú)線可夾置電流探測(cè)器以及包括數(shù)字RF收發(fā)器的嵌入系統(tǒng)允許遠(yuǎn)程測(cè)試和測(cè)量設(shè)備接收來(lái)自電流探測(cè)器的數(shù)據(jù)，而無(wú)需考慮電纜連接問(wèn)題，例如大小、物理磨損、重量、成本、電噪聲、損耗等等。這種電流探測(cè)器可用于以前未研究的環(huán)境和情形。該探測(cè)器可由有線串行通信部件或者通過(guò)集成射頻(RF)收發(fā)器來(lái)控制和查詢(xún)。RF收發(fā)器可利用專(zhuān)有通信協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線通信協(xié)議，例如ZigBee、藍(lán)牙或者IEEE通信標(biāo)準(zhǔn)的任一種。
文檔編號(hào)G01R19/25GK101846704SQ20101015952
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者G·L·坎塔維, S·M·弗蘭塞奇尼 申請(qǐng)人:特克特朗尼克公司