CN109164404B - 对电路板中采样电路自动校准的***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对电路板中采样电路自动校准的***及方法，涉及电路板中采样电路的自动校准领域。该***包括上位机控制终端、程控直流电源、电压采集装置、直流电子负载，电压采集装置连接在采样电路的采样电阻的两端，实时将测量数据发送到上位机控制终端，上位机控制终端集中控制校准过程，预先设定数据采集的次数，完成数据采集后，上位机控制终端按照指定的算法进行数据分析，自动生成误差补偿的报表，对电路板中采样电路的MCU进行程序升级，完成采样电路的校准。本发明能快速准确地完成电路板中采样电路的升级校准工作，提高电路板中采样电路校准的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及电路板中采样电路的自动校准领域，具体是涉及一种对电路板中采样电路自动校准的***及方法。
背景技术
功耗对于电源设计甚至板级电路设计是一个关键的参数，通常通过使用电路中单个电源轨的功率传感，也即采样电阻两端的电压测量，来计算电流，从而间接计算功耗。这些电压测量是使用板载的微控制单元及模数转换电路进行的。被校准的电路板中的采样电路包含采样电阻及其连接到MCU(Micro Control Unit，微控制单元)的电路，通常电路中采样电阻两端连接差分运放电路或ADC(Analog-Digital Converter，模数转换器)，差分运放电路或模数转换器件(ADC)将采样电阻两端的电压模拟信号转换成数字信号送入到MCU。通过数字化采样电阻两端的电压，采样电阻所在电源轨的电压及其电流能够被计算出来，这路电源的功耗也就计算出来了。但通过采样电路的测量计算值，往往与真实值存在差距，目前还鲜有针对实际电路板中应用采样电阻的电路进行自动校准的***方案。
目前检索到的专利申请大都是在整个电路中使用专门的校准电路，来实现误差补偿，而且都是针对具体的每一个应用，这些专利申请中的校准电路实现复杂、种类繁多，没有通用性，增加了物料成本，同时也可能带来新的误差，不适合应用在多个电源树网络的电路板的采样电路上。
有的方案采用电源为1安培的恒流电源，通过LED灯指示来判定所测采样电阻电阻值的偏差情况，并没有对电路板中的采样电路进行不同电压电流下的测试和校准，不能对采样电路进行程序升级而提高电路中的电压电流功耗的测量精准度。
还有的方案仅通过两个点的数据，采用y＝kx+b一次线性函数，得出校准参数，数据处理不够精确，相关性和拟合程度均不能满足电路板上不同电源树网络中不同电源路在特定负载下的电压、电流和功耗值得精确测量要求。
现有的自动校准方法中选取的测量点数据偏少，只能简单计算出校准参数，且现有电路板中采样电路的校准通常采用附属的元器件组成的其他电路进行误差补偿，难以满足电路板中采样电路的校准精确度。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种对电路板中采样电路自动校准的***及方法，能够快速准确地完成电路板中采样电路的升级校准工作，提高电路板中采样电路校准的精确度。
本发明提供一种对采样电路自动校准的***，电路板中的采样电路包括微控制单元MCU、采样电阻，该***包括上位机控制终端、程控直流电源、电压采集装置、直流电子负载，电压采集装置连接在采样电路的采样电阻的两端，实时将测量数据发送到上位机控制终端；上位机控制终端集中控制校准过程，按照预先设定的数据采集次数完成数据采集后，根据指定的算法进行数据分析，自动生成误差补偿的报表，对电路板中采样电路的MCU进行程序升级，完成采样电路的校准。
在上述技术方案的基础上，所述上位机控制终端在指定的时间发送程控直流电源、电压采集装置和直流电子负载的参数，并触发这些测量设备，开启一次校准动作；各测量设备和电路板中采样电路的MCU将测量到的数据实时传回给上位机控制终端。
在上述技术方案的基础上，上位机控制终端收集并记录每次校准动作的数据，选取合适的校准策略，进行误差分析和补偿，将结果更新到电路板中采样电路的MCU的程序中。
在上述技术方案的基础上，所述上位机控制终端统一协调，设置程控直流电源的输出和直流电子负载的载荷，并对采样电阻两端的电压进行测量；一次接线完成后，上位机控制终端按预设进行多次数据采集，所有数据采集完成后，上位机控制终端提供多种算法进行数据分析，一键生成多种格式的包含电压电流值、功率值、误差补偿值的数据报表，进行电路板中采样电路的MCU程序的升级，完成对采样电路的校准。
在上述技术方案的基础上，所述上位机控制终端提供的算法包括一次线性、二阶多项式、指数函数、移动平均拟合算法，上位机控制终端做出校准曲线和误差补偿，并以最小二乘法为基本准则，计算出每种算法的相关系数和均方误差，对不同算法的拟合程度作比较，选出针对采样电路最准确的拟合算法。
本发明还提供一种基于上述***的对电路板中采样电路自动校准的方法，包括以下步骤：
用***总线连接上位机控制终端、程控直流电源、电压采集装置及直流电子负载，将电路板的采样电路中的采样电阻两端连接电压采集装置，将线缆一端接程控直流电源，另一端接直流电子负载；
开启各个仪器设备，启动上位机控制终端，设定相关参数；
上位机控制终端集中控制校准过程，按照预先设定的数据采集次数完成数据采集后，计算出功耗值，根据指定的算法进行数据分析，自动生成误差补偿的报表，对电路板中采样电路的MCU进行程序升级，完成采样电路的校准。
在上述技术方案的基础上，所述完成数据采集的过程为：
上位机控制终端控制程控直流电源的输出电压、直流电子负载的拉载电流，按照预先设定的数据采集次数，从采样电路的MCU获取电压值、电流值、功耗值，从电压采集装置读取电压值，从程控直流电源读取电流值。
在上述技术方案的基础上，根据指定的算法进行数据分析时，所述上位机控制终端提供的算法包括一次线性、二阶多项式、指数函数、移动平均拟合算法，上位机控制终端做出校准曲线和误差补偿，并以最小二乘法为基本准则，计算出每种算法的相关系数和均方误差，对不同算法的拟合程度作比较，选出针对采样电路最准确的拟合算法。
在上述技术方案的基础上，该方法还包括以下步骤：启动上位机控制终端时，上位机控制终端进行***自检，发送指令给每一个连接在***总线上的仪器设备，接收各个仪器设备返回的信息，检测***连通性，判断整个***是否准备完成。
在上述技术方案的基础上，启动上位机控制终端时，设定以下相关参数：测量范围、分辨率、测试步长、上下冲程选择、循环次数。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明中的上位机控制终端通过***总线将所有仪器设备和待校准电路板中的采样电路组成特定回路，联系起来，一键启动和操作，实现校准过程中数据的收集，选择合适算法，并针对实际电路板中的采样电路的需要，得出校准曲线和误差补偿数据，生成报表，进行误差分析和补偿，提取出报表中对应的误差补偿数据表，通过上位机控制终端下载到采样电路的微控制单元MCU，进行程序升级，快速准确地完成电路板中采样电路的升级校准工作，与现有电路板中采样电路的校准通常采用附属的元器件组成的其他电路进行误差补偿相比，本发明有利于实现电流、功率等参数的精密测量，能够提高电路板中采样电路校准的精确度。
附图说明
图1是本发明实施例中对电路板中采样电路自动校准的***的结构框图。
图2是本发明实施例中对电路板中采样电路进行校准时的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
参见图1所示，本发明实施例提供一种对电路板中采样电路自动校准的***，电路板中的采样电路包括顺次相连的MCU(Micro Control Unit，微控制单元)、ADC(Analog-Digital Converter，模数转换器)、采样电阻，该***包括上位机控制终端、程控直流电源、电压采集装置、直流电子负载，***回路由RS232或GPIB总线进行连接组网，电压采集装置为电压表或数据采集卡，连接在采样电路的采样电阻的两端，实时将测量数据发送到上位机控制终端。
上位机控制终端集中控制校准过程，每一次数据采集均由上位机控制终端发出，程控直流电源提供合适的电流电压，电子负载提供合适的拉载，电压表或数据采集卡实时将测量数据发送到上位机控制终端。
上位机控制终端按照预先设定的数据采集次数完成数据采集后，根据指定的算法进行数据分析，自动生成误差补偿的报表，对电路板中采样电路的MCU进行程序升级，完成采样电路的校准。
上位机控制终端通过***总线将所有仪器设备和待校准电路板中的采样电路组成特定回路，联系起来，一键启动和操作，实现校准过程中数据的收集，选择合适算法，并针对实际电路板中的采样电路的需要，得出校准曲线和误差补偿数据，生成报表，进行误差分析和补偿，提取出报表中对应的误差补偿数据表，通过上位机控制终端下载到采样电路的微控制单元MCU，进行程序升级，快速准确地完成电路板中采样电路的升级校准工作。
与现有电路板中采样电路的校准通常采用附属的元器件组成的其他电路进行误差补偿相比，本发明实施例有利于实现电流、功率等参数的精密测量，能够提高电路板中采样电路校准的精确度。
实施例2
在实施例1的基础上，上位机控制终端可以由C语言、LabVIEW(虚拟仪器开发环境)等在PC机上进行开发。上位机控制终端在指定的时间发送程控直流电源、数据采集卡和电子负载的参数，并同时触发这些设备，开启一次校准动作；各个测量设备和MCU将测量到的数据通过通讯网络(如RS232、USB、TCP/IP等)实时传回给上位机控制终端。上位机控制终端最重要的功能是将每次校准动作的数据收集并记录，选取合适的校准策略(如各种拟合算法等)进行误差分析和补偿，将结果更新到MCU的程序中。例如，在连接好相关设备后，点击软件相应选项测试连通性，并观察相应的选项卡，选择测试策略。
程控直流电源根据实际电路的需求选取，一般选合适电压电流供给能力的电源，例如：Agilent E3634A(0～25V，7A/0～50V，4A)。在每一次***校准动作开启之前，需要上位机控制终端发送指令给电源设定确定值。例如测试在通流1A的情况下，需在软件电源选项卡内的对应空格内点击或输入1A，或者点击自动测试，设定好通流的步长，程序会自动设定程控直流电源的输出大小。
根据实际电路的需求选取合适电压测量能力的数字电压表或数据采集卡，例如：Agilent 34970A/34902A module(16channels)，具有多于6位的精度，并能将多路测量数据同时传递给上位机控制终端。
根据实际电路的需求，选取合适电压电流抽取能力的直流电子负载，例如：Chroma63640-5 E-load或Faith FT6301A(120V，30A，150W)，以此来模拟实际工作负载，来校准电路板中的采样电路。
常见的测量仪器设备均支持RS232或GPIB(General-Purpose Interface Bus，通用接口总线)协议，并后置了两种总线的接口，也出厂附带了开发例程。上位机控制终端能方便地通过USB Hub(USB接口集线器)、USB转RS232、USB转GPIB线缆等***总线与测试仪器进行桥接。控制软件开发了基于RS232和GPIB的驱动，能兼容上述***总线完成对仪器设备的控制和数据收集。
实施例3
在实施例1的基础上，上位机控制终端统一协调，能一次性的设置好程控直流电源的输出和电子负载的载荷，并对采样电阻两端的电压进行测量；一次接线完成后，上位机控制终端同时能按预设进行多次数据采集过程，降低了出错概率，提高了工作效率。
所有数据采集完成后，上位机控制终端提供多种算法供使用者选择进行数据分析，上位机控制终端提供的算法包括一次线性、二阶多项式、指数函数、移动平均拟合算法，上位机控制终端做出校准曲线和误差补偿，并以最小二乘法为基本准则，计算出每种算法的相关系数和均方误差，对不同算法的拟合程度作比较，选出针对采样电路最准确的拟合算法。
上位机控制终端一键生成多种格式的包含电压电流值、功率值、误差补偿值等数据报表，使用者能直接提取数据，进行***中微控制单元程序的升级，完成对采样电路的校准。与现有电路板中采样电路的校准通常采用附属的元器件组成的其他电路进行误差补偿相比，本发明实施例有利于实现电流、功率等参数的精密测量，能够提高电路板中采样电路校准的精确度。
实施例4
本发明实施例提供一种基于实施例1中***的对电路板中采样电路自动校准的方法，包括以下步骤：
参见图2所示，用***总线连接上位机控制终端、程控直流电源、电压采集装置及直流电子负载，将电路板的采样电路中的采样电阻两端连接电压采集装置，将线缆一端接程控直流电源，另一端接直流电子负载；
开启各个仪器设备，启动上位机控制终端，设定以下相关参数：测量范围、分辨率、测试步长、上下冲程选择、循环次数；
上位机控制终端集中控制校准过程，按照预先设定的数据采集次数完成数据采集后，计算出功耗值，根据指定的算法进行数据分析，自动生成误差补偿的报表，对电路板中采样电路的MCU进行程序升级，完成采样电路的校准。
上位机控制终端通过***总线将所有仪器设备和待校准电路板中的采样电路组成特定回路，联系起来，一键启动和操作，实现校准过程中数据的收集，选择合适算法，并针对实际电路板中的采样电路的需要，得出校准曲线和误差补偿数据，生成报表，进行误差分析和补偿，提取出报表中对应的误差补偿数据表，通过上位机控制终端下载到采样电路的微控制单元MCU，进行程序升级，快速准确地完成电路板中采样电路的升级校准工作，与现有电路板中采样电路的校准通常采用附属的元器件组成的其他电路进行误差补偿相比，本发明实施例有利于实现电流、功率等参数的精密测量，能够提高电路板中采样电路校准的精确度。
实施例5
在实施例4的基础上，启动上位机控制终端时，上位机控制终端进行***自检，发送指令给每一个连接在***总线上的仪器设备，接收各个仪器设备返回的信息，检测***连通性，判断整个***是否准备完成。
上位机控制终端完成数据采集的过程为：
上位机控制终端控制程控直流电源的输出电压、直流电子负载的拉载电流，按照预先设定的数据采集次数，从采样电路的MCU获取电压值、电流值、功耗值，从电压采集装置读取电压值，从程控直流电源读取电流值。
上位机控制终端根据指定的算法进行数据分析时，上位机控制终端提供的算法包括一次线性、二阶多项式、指数函数、移动平均拟合算法，上位机控制终端做出校准曲线和误差补偿，并以最小二乘法为基本准则，计算出每种算法的相关系数和均方误差，对不同算法的拟合程度作比较，选出针对采样电路最准确的拟合算法。
实施例6
本发明实施例提供一种基于实施例1中***的对电路板中采样电路自动校准的方法，包括以下步骤：
1)在实际操作中，按照附图2的方式准备好上述所需要的设备仪器，将GPIB总线连接起上位机控制终端、程控直流电源、数据采集卡以及直流电子负载，将电路板上的采样电路中的采样电阻两端连上数据采集卡，同时用线缆一端接程控直流电源，另一端接直流电子负载；开启各个仪器设备预热五分钟后，启动上位机控制终端，点击***自检，程序会发送指令给每一个连接在总线上的仪器设备，接收各个仪器设备返回的信息，检测***连通性，判定整个校准***是否准备完成。图2中的设备仪器需要具备特定条件下的性能，满足测试的需求。
2)打开上位机控制终端，并设定好相关参数：测量范围、分辨率、测试步长、上下冲程选择、循环次数等；例如：在校准正常工作电压V、工作电流最大为I的电源采样电路时，电压测量范围可设定为0.9V～1.1V、电压测试步长可设定为0.1V，电流测试范围可设定为0-1.2I、电流测试步长可设定为0.2A，选择上冲程(即电压从低到高、电流从小到大提供)、循环次数设定为2。
3)上位机控制终端开始控制程控直流电源输出电压0.9V，发送指令使直流电子负载拉载电流为0，上位机控制终端从采样电路的MCU获取电压值A11、电流值B11、功耗值C11，同时从数据采集卡上读取出电压值X11、从程控直流电源读取电流值Y11、计算出功耗值Z11。
4)上位机控制终端按照上冲程的测试，分别发送指令使直流电子负载拉载电流为0.2I、0.4I、0.6I、0.8I、1.0I、1.2I，分别从采样电路MCU获取电压值A12、…、A17，电流值B12、…、B17，功耗值C12、…、C17，从数据采集卡上读取出电压值X12、…、X17，并从程控直流电源读取电流值Y12、…、Y17，计算出功耗值Z12、…、Z17。
5)上位机控制终端按照上冲程的测试，控制程控直流电源输出1.0V和1.1V，并分别发送指令使直流电子负载拉载电流为0.2I、0.4I、0.6I、0.8I、1.0I、1.2I，分别从电路板的采样电路MCU获取电压值、电流值、功耗值，如下表：
表1、从电路板的采样电路MCU获取的电压值、电流值、功耗值
上位机控制终端分别从数据采集卡及程控直流电源获取电压值、电流值、功耗值如下表：
表2、从数据采集卡获取电压值、电流值、功耗值
6)待数据采集完毕后，上位机控制终端选取不同的算法，例如：一次线性、二阶多项式、指数函数、移动平均拟合等算法，做出校准曲线和误差补偿，并以最小二乘法为基本准则，计算出每种算法的相关系数(R2)和均方误差(RMSE)作为指标，对不同算法的拟合程度作比较，选出针对这一路电源采样电路最准确的拟合算法，以便后期精确地电压电流功耗计算。
例如：在步骤5得出的数据记录下，以电压值校准为例，根据一次线性函数关系式X＝kA+d，X代表从数据采集卡获取的电压值，k代表电压值校准的一次项系数，A代表从电路板的采样电路MCU获取的电压值，d为电压值校准的常数项，将0.9V电压下的(A11、…、A17)，(X11、…、X17)两组数据代入运算，以最小二乘法的准则运算出参数k及b，从而根据关系式X’＝kA+d，X’为根据一次线性算法校准得到的电压值，得出(X11’、…、X17’)，根据相关系数R2和均方误差RMSE的计算公式，计算出选取一次线性算法拟合得到的R1 2和均方误差RMSE1：
其中，i表示测量次数的序号。
7)上位机控制终端根据二阶多项式函数关系式X＝lA2+mA+n，X代表从数据采集卡获取的电压值，l代表电压值校准的二次项系数，A代表从电路板的采样电路MCU获取的电压值，m代表电压值校准的一次项系数，n为电压值校准的常数项，将0.9V电压下的(A11、…、A17)、(X11、…、X17)两组数据代入运算，以最小二乘法的准则，算出参数l、m及n，根据关系式X”＝lA2+mA+n得出根据二阶多项式函数关系式算法校准得到的电压值(X11”、…、X17”)，根据相关系数R2和均方误差RMSE的计算公式，计算出选取二阶多项式函数拟合得到的相关系数R2 2和均方误差RMSE2。
其中，i表示测量次数的序号。
如果R2 2大于R1 2，RMSE2小于RMSE1，那么说明选取二阶多项式函数关系的算法作为0.9V电压的拟合更为精准，采样电路采取此算法进行误差补偿后更接近真实值。
8)依照步骤6和步骤7，上位机控制终端分别采用不同算法比较得出该路电源在0.9V电压下电流值和功耗值最适合的拟合算法及误差补偿数据。
9)上位机控制终端既定的程序会自动按照步骤2的设置，计算出该路电源在1.0V和1.1V下所有的拟合算法参数和误差补偿数据。
10)因为电路板上不同电源电路的工作电压和工作电流不同，对每一路电源采样电路的校准过程，必须进行步骤2的参数设定，才能保证其采样电路的校准过程覆盖实际电源工作情形，实现校准后的采样电路采样的精确度。同时，上位机控制终端的软件界面提供了不同电源电路不同电压的推荐设定值。
11)所有测试工作完成后，在报表选项卡中，选取需要的报表格式，例如*.txt、*.xls、*.pdf等等，并能选择保存报表的位置。上位机控制终端记录了所有测试项目的时间、具体测试数据及误差补偿数据等，生成的报表结构如下：
表3、所有测试项目的时间、具体测试数据及误差补偿数据
12)提取出报表中对应的误差补偿数据表，通过上位机控制终端下载到微控制单元MCU，进行程序升级，完成校准工作。
本发明实施例提出了具有多种校准算法选择、数据报表输出、多个采样电阻同时测量的方法，与现有电路板中采样电路的校准通常采用附属的元器件组成的其他电路进行误差补偿相比，本发明实施例能够快速准确地完成电路板中采样电路的升级校准工作，能显著提高工作效率，增加电流、功耗等参数计算测量的精确性，提高电路板中采样电路校准的精确度。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种对电路板中采样电路自动校准的***，电路板中的采样电路包括微控制单元MCU、采样电阻，其特征在于：该***包括上位机控制终端、程控直流电源、电压采集装置、直流电子负载，电压采集装置连接在采样电路的采样电阻的两端，实时将测量数据发送到上位机控制终端；上位机控制终端集中控制校准过程，按照预先设定的数据采集次数完成数据采集后，根据指定的算法进行数据分析，自动生成误差补偿的报表，对电路板中采样电路的MCU进行程序升级，完成采样电路的校准；
所述上位机控制终端在指定的时间发送程控直流电源、电压采集装置和直流电子负载的参数，并触发这些测量设备，开启一次校准动作；各测量设备和电路板中采样电路的MCU将测量到的数据实时传回给上位机控制终端；
所述上位机控制终端收集并记录每次校准动作的数据，选取合适的校准策略，进行误差分析和补偿，将结果更新到电路板中采样电路的MCU的程序中。
2.如权利要求1所述的对电路板中采样电路自动校准的***，其特征在于：所述上位机控制终端统一协调，设置程控直流电源的输出和直流电子负载的载荷，并对采样电阻两端的电压进行测量；一次接线完成后，上位机控制终端按预设进行多次数据采集，所有数据采集完成后，上位机控制终端提供多种算法进行数据分析，一键生成多种格式的包含电压电流值、功率值、误差补偿值的数据报表，进行电路板中采样电路的MCU程序的升级，完成对采样电路的校准。
3.如权利要求2所述的对电路板中采样电路自动校准的***，其特征在于：所述上位机控制终端提供的算法包括一次线性、二阶多项式、指数函数、移动平均拟合算法，上位机控制终端做出校准曲线和误差补偿，并以最小二乘法为基本准则，计算出每种算法的相关系数和均方误差，对不同算法的拟合程度作比较，选出针对采样电路最准确的拟合算法。
4.基于权利要求1所述***的对电路板中采样电路自动校准的方法，其特征在于，包括以下步骤：
用***总线连接上位机控制终端、程控直流电源、电压采集装置及直流电子负载，将电路板的采样电路中的采样电阻两端连接电压采集装置，将线缆一端接程控直流电源，另一端接直流电子负载；
开启各个仪器设备，启动上位机控制终端，设定相关参数；
上位机控制终端集中控制校准过程，按照预先设定的数据采集次数完成数据采集后，计算出功耗值，根据指定的算法进行数据分析，自动生成误差补偿的报表，对电路板中采样电路的MCU进行程序升级，完成采样电路的校准。
5.如权利要求4所述的对电路板中采样电路自动校准的方法，其特征在于：所述完成数据采集的过程为：
上位机控制终端控制程控直流电源的输出电压、直流电子负载的拉载电流，按照预先设定的数据采集次数，从采样电路的MCU获取电压值、电流值、功耗值，从电压采集装置读取电压值，从程控直流电源读取电流值。
6.如权利要求4所述的对电路板中采样电路自动校准的方法，其特征在于：根据指定的算法进行数据分析时，所述上位机控制终端提供的算法包括一次线性、二阶多项式、指数函数、移动平均拟合算法，上位机控制终端做出校准曲线和误差补偿，并以最小二乘法为基本准则，计算出每种算法的相关系数和均方误差，对不同算法的拟合程度作比较，选出针对采样电路最准确的拟合算法。
7.如权利要求4所述的对电路板中采样电路自动校准的方法，其特征在于：该方法还包括以下步骤：启动上位机控制终端时，上位机控制终端进行***自检，发送指令给每一个连接在***总线上的仪器设备，接收各个仪器设备返回的信息，检测***连通性，判断整个***是否准备完成。
8.如权利要求4所述的对电路板中采样电路自动校准的方法，其特征在于：启动上位机控制终端时，设定以下相关参数：测量范围、分辨率、测试步长、上下冲程选择、循环次数。
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