IMA4 2018/2019 P72
Sommaire
- 1 Présentation générale
- 2 Analyse du projet
- 3 Préparation du projet
- 4 Réalisation du Projet
- 5 Documents Rendus
- 6 Liens Utiles
Présentation générale
- Nom du projet : Mesure d'un courant simple
- Étudiant : MARTIN Raphaël
Description
Dans le cadre de l'internet des objet, il est important de savoir mesurer la consommation énergétique des appareils dès la conception. La première raison est bien sûr l'estimation de l'autonomie d'un objet autonome en énergie. Cependant, ce qui nous intéressera ici concerne surtout les variations de consommation suivant les phases de fonctionnement de l'objet en question.
En effet la variation de la consommation de l'appareil permet de déterminer précisément sa consommation dans un plus grand nombre de situation, ainsi il est plus aisé de prévoir son autonomie suivant son utilisation.
Une mesure précise de sa consommation permet également de différencier les phases de fonctionnement, un objet connecté qui émet, reçois un signal ou utilise son processeur pour calculer ne consommera pas la même quantité d'énergie. La détermination des phases de fonctionnement à l'aide de la mesure permettrait de confronter la théorie à la pratique car dans certains cas (transmission radio), le déroulement de la phase dépend énormément de l'environnement (énergie demandée et durée).
Objectifs
Afin de pouvoir mesurer la consommation d'un objet connecté, j'ai pour objectif de réaliser un ampèremètre ayant les caractéristiques suivantes :
- Une capacité de mesure de courants >2mA à l'aide d'un montage classique
- Exemples : Avec une résistance de shunt ou un capteur à effet hall
- Une capacité de mesure des courants plus faibles à l'aide de montages plus précis
- Exemples : Avec un montage de type feedback ammeter ou une méthode basée sur les cycles de charge/décharge de condensateur
- L'appareil doit être capable de changer de calibre sans intervention extérieure
- Conserver une bande passante convenable pour détecter les transitions entre les différentes phases de fonctionnement d'un objet connecté
- Avoir la possibilité d'enregistrer les mesures dans le temps afin d'analyser les données
- Avoir un appareil portable pour simplifier son utilisation
- Conserver une bonne précision tout en évitant d'avoir un appareil de mesure trop cher
Ensuite je vais devoir tester l'appareil de mesure ainsi crée afin de déterminer dans quel cas les mesures sont fiables.
Analyse du projet
Positionnement par rapport à l'existant
Actuellement, les multimètres tout-en-un grand publique comportent un ampèremètre, c'est le point de départ de mon analyse. Ce type d'ampèremètre mesure le courant à l'aide d'une résistance de shunt, on mesure une tension au borne d'une faible résistance afin de ne pas trop perturber le système étudié. Une telle mesure est plutôt fiable pour des courants au delà du mA et pour des application peu exigeantes. Mon multimètre par exemple d'entrée de gamme (Lifedom MS8321A) est capable de mesurer des courants avec une résolution de 1µA mais seulement avec une bande passante de 400Hz ce qui est trop peu pour ce projet.
- Voici un récapitulatif des méthodes de mesure de courant qui seront abordées durant le projet :
Mesure de courants "importants" : la mesure par résistance de shunt peut être facilement améliorée à l'aide d'un amplificateur opérationnel
- Avantage
La tension image du courant V_out est amplifiée par l'AOP qui n'affecte que de peu la mesure par rapport à une mesure par simple résistance de shunt (grande impédance d'entrée)
- Inconvénients
La résistance de shunt affecte le système (d'où la présence de la tension de chute V_burden aux bornes de R_shunt)
Mesure de courants "importants" : la mesure par effet hall
- Avantages
La mesure du courant n'affecte que très peu le système (pas d'introduction d’éléments directement sur le circuit)
L'isolation galvanique permet au signal mesuré de servir également d'alimentation à un étage d'amplification de la mesure
L'isolation galvanique entre le système et la partie mesure permet d'avoir de grande tensions en jeu
- Inconvénient
La mesure est moins précise qu'avec une résistance de shunt et plus adaptée pour de forts courants (assez sensible aux perturbations électromagnétiques)
Mesure de courants "faibles" : la mesure par un montage feedback ammeter
- Avantages
La chute de tension V_bruden en entrée est proche de 0 (V+ = V- dans un AOP)
L'utilisation de l'amplificateur opérationnel augmente la réactivité du système
- Inconvénient
Convient principalement pour la mesure de petits courants
Mesure de courants "faibles" : la mesure par charge / décharge de condensateur
Ce montage permet de mesurer une quantité de charge accumulée dans un condensateur. Le principe de mesure de courant serait d'utiliser un tel montage afin de capter une partie des charges en déplacement et d'en déduire le courant. Je n'ai pas trouvé d'ampèremètre fonctionnant sur ce principe sur le marché, il s'agira donc surtout de concevoir une éventuelle nouvelle méthode de mesure afin de la confronter à ce qui existe déjà.
Un problème apparent ici est la chute de courant due à la charge du condensateur là où d'autres méthode provoquent une chute de tension pendant la mesure.
Analyse du premier concurrent : Le multimètre de table de précision
Exemple du Keithley 2001, basé sur une mesure de type shunt
- Prix : 6450 €HT
- Résolution minimale : 100 pA
- Erreur de biais max à la plus faible résolution : 2 pA
- Tension de charge max à la plus faible résolution: 250 µV
- Bande passante à la plus faible résolution : 10kHz
- Courant maximal mesurable : 2A
- Capacité de mesure : 2000 pts/sec
- Cet appareil possède une connectique permettant d'exporter les mesures sur un ordinateur (par GPIB / RS232)
L'utilisation d'un multimètre pouvant être relié à un ordinateur peut sembler constituer une solution clé en main pour cette application : le multimètre possède une bonne plage de mesure, est capable de mesurer de faibles courants. Cependant il reste très cher, encombrant et n'a une bande passante que de 10kHz ce qui peut poser problème si l'appareil étudié change de phase de fonctionnement trop rapidement et trop souvent.
Analyse du second concurrent : L'amplificateur de signaux
Exemple du National Instruments PXI 4022, basé sur une mesure de type feedback ammeter
- Prix : 815 €HT
- Résolution minimale : 5 nA
- Erreur de biais max à la plus faible résolution : 5 pA
- Tension de charge max à la plus faible résolution : 20 µV
- Bande passante à la plus faible résolution : 1MHz
- Courant maximal mesurable : 1mA
- Capacité de mesure : 1000 pts/sec
- Cet appareil doit être relié à un voltmètre pour pouvoir réaliser les mesures, il ne s'agit que du montage feedback seul
Cette carte permet d'envoyer l'acquisition sur un voltmètre avec connexion PC ou sur un oscilloscope au choix. Il s'agit d'une solution moins encombrante que le premier concurrent, ce qui est préférable pour une utilisation sur le terrain. Cependant, bien que possédant une bande passante plus grande de 1MHz, les courants mesurés ne peuvent pas dépasser 1mA.
Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé
Dans le cas d'une émission radio dans un milieu parasité, les délais de transmission peuvent varier grandement et ce sans pouvoir estimer avec précision ces retards. Si cette communication est assurée par une partie spécifique de l'électronique et non par le processeur, il se peut que celle-ci se fasse pendant une phase de veille de ce dernier. Dans ce cas, il est difficile de récupérer les informations sur la durée ou la consommation due à la transmission sans mesure externe. Le chronogramme ci contre illustre les perturbations durant la transmission qui impactent sur la durée nécessaire pour terminer la tâche, ces dernières ne sont a priori pas prévisibles et un ampèremètre précis peut permettre d'avoir une analyse réaliste en situation réelle plus complète du système.
Une solution dans ce cas est d'utiliser un ampèremètre spécifique capable de mesurer une grande dynamique de courant et avec une bonne bande passante. Ces deux critères sont cruciaux pour distinguer les phases de fonctionnement de l'appareil mesuré.
- La grande dynamique de courant permet de distinguer les phase d’émission radio et de calcul du processeur.
- La grande bande passante permet de mesurer précisément le moment où l'appareil change de phase.
Réponse à la question difficile
- Comment passer automatiquement d'un système de mesure à l'autre (courant très faible / courant faible) ?
On utilisera un comparateur fonctionnant en hystérésis entre chaque calibre commandant plusieurs transistors afin de choisir où part le courant mesuré. Je pense tester deux méthodes : utiliser plusieurs comparateurs (2 par calibre) ou utiliser un "shift register" et 2 comparateurs pour tous les calibres et de changer de calibre jusqu'au bon.
- Comment améliorer la bande passante ?
Le montage de type Feedback ammeter permet d'améliorer la bande passante car seul les performances de l'amplificateur opérationnel limite la bande passante du montage (il faut regarder le produit gain-bande).
Préparation du projet
Je vais pour le moment me baser sur un appareil spécialisé dans la mesure de consommation d'une carte Arduino Uno basé sur un ATmega 328p pour éventuellement explorer par la suite d'autres appareils
Cahier des charges
Le cahier des charges initial pour la mesure de consommation de l'Arduino Uno est le suivant :
- Mesure jusque au moins 1A pour les "forts" courants afin de pouvoir mesurer la consommation des éléments autour du processeur
- Mesure d'une résolution minimale de 0,1µA pour les "faibles" courants, ce qui correspond à peu près au mode veille de l'ATmega 328p selon www.robot-maker.com
- Minimiser les pertes de courant dues à la mesure (<10nA) pour le pas trop perturber le résultat
- Avoir une bande passante initialement au moins supérieure à 2,8kHz, ce qui correspond à plus du double de la vitesse maximale de changement d'état des différentes sorties de l'ATmega 328p selon le forum arduino
- La sélection du calibre de mesure doit être automatique
- Permettre l'enregistrement des mesures dans l'appareil ou à défaut utiliser une liaison série pour les transmettre à un ordinateur
- L'appareil de mesure devra être portable (autonome en alimentation d'énergie, léger et portable)
Choix techniques : matériel et logiciel
L'appareil de mesure sera basé sur une carte Arduino Uno associé à un module de stockage sur carte SD pour conserver l'évolution de la mesure du courant dans le temps
- 2x ALI MCP601 [B1]
- 2x ALI de précision OPA277PA [B2]
- 1x Timer555 [B3]
- 3x support DIL 8 broches [B4]
- 5x ALI LM324N [B5]
- 1x shift register [B6]
- 5x support DIL 14 broches [B7]
- 10x résistance 140 1% [C1]
- 2x résistance 1k 1% [C2]
- 4x résistance 10k 1% [C3]
- 2x résistance 100k 1% [C4]
- 2x résistance 1M 5% [C5]
- 2x résistance 10M 1% [C6]
- 10x led rouge [C7]
Liste des tâches à effectuer
- Dans un premier temps réaliser les fonctions d'ampèremètre seules sur breadboard et analyser leurs performances à l'osciloscope
- Réaliser un prototype du système complet à l'aide d'une carte Arduino Uno et de shields pour les fonctions d'enregistrement sur carte SD et des différentes mesure de courant
- Analyser les performances du prototype du système complet (temps pour le changement du système de mesure, précision de la mesure dans le temps et en amplitude)
- Dans un second temps réaliser le prototype final qui sera représentatif du produit, avec sa propre carte électronique et un boîtier adapté
- Analyser les performances du prototype final toujours sur les mêmes critères
Calendrier prévisionnel
Réalisation du Projet
Feuille d'heures
| Tâche | Prélude | Heures S1 | Heures S2 | Heures S3 | Heures S4 | Heures S5 | Heures S6 | Heures S7 | Heures S8 | Heures S9 | Heures S10 | Total |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Analyse du projet | 0 |
