Arduino UNO(のチップ)を使ったUSB電流計

単電源で反転アンプ　マイナスの入力電圧は増幅できます
は、電流をアナログ出力するだけのものでしたが、
Arduino UNOのチップATmega328Pと3桁7seg LEDで
USBラインの電流値を表示してみました。
 
　　※ちょっと訂正。 TNX ラジオペンチさん
　　※電源側のコネクタ、USBではなくXHにしてるのは
　　　こちらの都合です。

スケッチをアップするためのArduino UNOとのつなぎ
はこんな具合。 +5Vラインはつないでいません。

こんな目的です。
・回路の動作テスト、通電OKとなれば(電源周りは正常だと
　わかったら)CVCC電源じゃなく、5V出力のACアダプタ
　(USBコネクタで出てる)を使うことが多くなった。
・CVCC電源にしても手持ちのUSB電流計にしても、電流
　表示の最小桁が10mA。
・試運転中の回路の動作電流、せめて1mAの桁で見ておき
　たい。
ということで、1mA表示の電流計が欲しいとなった次第です。
電流を見るのにテスターをつないだままにするのもちょっと
なぁだし、常用的に電流を監視できるようにと作りました。

内蔵のVref=1.1Vを使っている関係で、電流の計測、
ATmega328Pの10bit A/Dではちょっとチカラ不足。
1bitが1mAステップじゃなく値によっては2mA飛び
になる所も。

電圧のほうは5V±1Vを計るようにしましたんで、
10bitで0.01V表示は余裕です。

まず、これが5年ほど前に買ったUSB電流計。
 

携帯電話などの充電時、充電した電流量をチェックで
きます。
でも、電流は10mAが最小。
文字も小さいし。

せっかくなんで中味も。


PIC16F1933が使われています。
電源はレギュレータで落として3.3Vで動いています。
 

電流検出のアナログ部はこんな具合。
電流検出抵抗はGND側に入っています。

50mΩを2パラで25mΩ
LM358で増幅。
R38が01Bで1kΩ。
R39が30Cで20kΩ。
20倍か21倍かのアンプ。
1Aで25mV。　それを20倍だと0.5V。
スペックでは最大3.5Aとなっているので
4Aで2V。　2Vあたりの基準電源でしょうか。

製作した回路。

基板をこのケースに入れるつもりで大きさを決めました。
「ダイソー ミニケース 5個組」が見つからない

この記事で紹介した
「No.1434 トラベルケース S 2P」
完全に透明なのでLEDもエエ感じ。
　　(フィルタが欲しいか)

スケッチのアップはもうちょい整理してからに。

※実験ベンチのCVCC電源(下段)と低周波発振器二つ

上のが「8038」で。
中段のが「MAX038」で。

・トラ技Jr．2018年秋号に「8038」復活の記事
・20MHzまでの正弦波をスイープ出力するMAX038を使った周波数スイープ・ジェネレータの製作
・実験用電源の中身
・電源を改造 AD8724D

電流値表示の最小桁が「0.01A =10mA」。
装置をデバッグする時、1mAを読みたいなぁ～と
なったわけです。

※追記
7seg LEDの表示タイミングとA/D変換の関係。


7seg LED表示は500Hz(2ms)割り込みで。
　　タイマー1のOC1A割り込みが周期
そのタイミングを使ってA/D変換(電流,電圧の2ch)。
2ms × 2ch × 128回平均で512msごとにデータを
更新。
上図波形の「電流,電圧値計算」の時間で、
「浮動小数点化したmap関数」で2点calを実行。
512ms周期でこれを実行。
　　AVRマイコンの浮動小数点計算、なかなか
　　早いゾ！

まずタイマー1のOC1B割り込みでLEDの駆動をオフ。
　　COMをLに。セグメントをHに

その10us後のOC1A割り込みでA/D変換の
開始を指令。
A/D変換中はLEDがオフしているので、チップ
内の電流増加の影響は少ないはず。

A/D変換完了割り込み(100usちょい後)でLEDの
駆動を再開。
そして10bit A/D結果を平均処理。
2ch × 128回の平均加算完了をメインルーチン側に
知らせて「浮動小数点化したmap」で2点cal。

こんな流れです。

※追記
これが2点cal用の校正データ
1～4が電流用、5～8が電圧用
1,3,5,7がＹ軸の値(out)。
それぞれ10mA 900mA、4.50V 5.50Vが校正点。
2,4,6,8がその時のX軸(in)、つまりA/D値。

# 1 mA-Lo : 10　…10mA
# 2 mA-Lo A/D : 13
# 3 mA-Hi : 900　…900mA
# 4 mA-hi A/D : 882

# 5 V-Lo : 450　…4.50V
# 6 V-Lo A/D : 264
# 7 V-Hi : 550　…5.50V
# 8 V-Hi A/D : 779

ターミナルとつないで変更できるようにしています。
　　EEPROMに保存。

浮動小数点化したmap関数にはmAとVの実値と
A/D値をそのまま食わせます。
いったん電流値や電圧値に変換してからゴソゴソは
ありませんので「1023 vs 1024」は関係ありません。
AREF電圧(定格1.1V)の偏差や抵抗の誤差、A/D変換に
つきまとう誤差は、実値による校正操作で考えなくて
良くなります。
　　これが本来の「map関数」だぁ！
・Arduino　なんとかして誤用を正したい：A/Dの1/1023とmap関数
・Arduino 10bit A/D値をmap関数でスケーリングする例


※こまかい補足
AD4の電流入力、1MΩで4Vにプルアップ(!)してるでしょ。
その先はINA180の出力につながる1kΩ。
ちょっとだけプラスに持ち上げることで、0V付近のADC
データを使わないで良いようにしています。
INA180の出力も完全に0Vにならないし。

※追記が続く
・単電源で反転アンプ　マイナスの入力電圧は増幅できます
この最終回路「INA180を使ったハイサイド電流検出回路」で
表示回路の電流を計ってみました。


一番上の波形(ノイズでジャギジャギ)がこのアンプの出力
です。
　　つなぐのにGNDラインが15cmほど延びてい
　　るので、ノイズの影響大。
　　プローブのGNDは表示回路側。

負荷電流を「18mA」にしました。
7seg表示は「ブランク　１　８．」となり、
COM1の最右桁を点灯したときの電流がいちばん
大きくなります。

そしてCOM3のブランクの所が、負荷電流＋回路電流
となります。
全セグメントを点けている「８．」表示で、ブランクより
20mAほどアップ。
セグメントあたり2.5mAの電流ということで、おもわく
通りの駆動ができています。

※「88mA」だと。
表示は「ブランク　８　８．」となります。


「８．」と「８」で電流がちょいと変化しているのが
見えるかと。

中央を拡大。


A/D変換中は全桁をブランクにしている様子が
見えています。

INA180A3(100倍アンプ)の帯域幅は「150kHz」。
それによる遅れも見ておかなくてはなりません。

使っているオシロには「高分解モード」という
平均処理的モードがあって(平均回数を指定できる
モードとは別に)、ノイズを低減できます。
　　ただし細いパルスは抜けちゃう
それを使うと、こんな具合にジャギジャギを
消すことができます。

　　見やすくなりますが、割り込みタイミングの細い
　　パルスは消えかけています。


※とりあえずスケッチを　(ZIP圧縮)
　　・ダウンロード - usb_cur2.zip

900行ほどのプログラムです。
校正はターミナルとつないでということに
なります。
　　※ちょっとしたバグを発見しましたんで注意。
　　　校正モードでの「.」入力の処理。

※追記が続く
Arduino-UNO基板と、アノードコモン7seg LED、
抵抗、ボリューム、スイッチがあれば、電流検出ICが
無くてもこんな接続で「試運転」できます。

calしなくてもボリュームを回せば表示が変化するはず。