许多工程师对自己的工作相当低调，可能是因为他们不想让别人知道自己工作有多有趣。然而，我们的工作也具有非常严肃的意义：改善环境和人们的生活。我们通过更精准的维护策略来降低能耗、减少生产废料并延长设备使用寿命。因此，我们必须拥有能够测量各种大小信号的设备，以便在系统开发和改进、生产线末端测试以及设备安装过程中做出明智的决策。.
能耗精度：
工业设备的用户界面通常并不以美观或细节考究著称。然而，Carlo Gavazzi 的两相和三相能量分析仪系列改变了这一现状1）保留了此类设备典型的背光液晶显示屏，但设计团队在易用性方面下了很大功夫，从安装到日常操作都力求完美。例如，能量测量显示屏上的小数点比其他数字更小，这使得年纪稍长的用户也能轻松读取屏幕上的数字。此外，该设备还具备“显示”功能，无需手动输入即可按顺序显示所需的测量结果。这些设备还配备了易于操作的菜单系统，可通过三个物理按钮进行控制。
其精度极高：频率分辨率为 0.001 Hz，能量分辨率为 0.001 kWh。 EM540 和 EM530 型号的电压、电流、功率以及其他单相和系统变量的响应时间均为 100 毫秒。对于需要净零自用电量管理（即确保产生的多余能量不会回馈到电网）的光伏装置而言，这非常有用，因为其他型号的响应速度太慢，无法完成这项任务。
图 1：在能源监测应用中，Carlo Gavazzi EM530 和 EM540 型号提供远程数据访问、用户友好的界面、两相或三相测量以及 MID 认证。
能量分析仪还能提供精确的运行日志，这有助于进行预测性维护。通过设定高于连接设备待机功耗的阈值，这些设备可以测量运行时间。待机时间也可以通过从总运行时间中减去运行时间来确定。这些数据可通过 Modbus RTU 协议提供给监控系统。结合通用 Web 平台 (UWP)，支持团队可以利用这种自动数据传输方式来检测线路故障并远程提供解决方案。EM530
可用于低压配电盘，并可与二次电流为 5 A 的电流互感器配合使用。这使其能够在额定电流为 10 kA 的系统中运行。EM540 的额定电流测量范围高达 65 A。这两款设备均采用三 DIN 导轨安装外壳，并可选配带锁定点的 MID（多功能仪表盘），使其可用于住宅辅助计量应用。
电机控制器的效率：
监管机构数十年来一直在监测电机的能效。根据国际能源署 ( IEA ) 的数据，本世纪初，电机能耗占工业总能耗的 69%。目前，旋转电机的能效等级由 IEC 60024 标准定义。该标准将能效等级分为 1 级 (IE1) 至 4 级，但 IE1 级电机已被包括欧盟在内的许多地区禁用。工业
电机的效率可以使用诸如 B&K Precision 5335C 之类的设备进行评估，这是一款紧凑型单相交流/直流功率计（图 2）。它可以测量高达 600 Vrms 和 20 Arms 的功率，并提供高达 100 kHz 的带宽。其内置示波器可显示电压和电流波形，无需额外的测量设备。
图 2：借助 B&K Precision 5335C 功率计，我们可以对电机、直流设备和生产线末端测试进行精确的效率测量。
当测量电流超过规定的 20 A 时，可连接外部传感器（最大 10 A/2 V）。对于电机 PWM 调速，测量范围为 0.5 Hz 至 100 kHz（图 3）。连接、测试接口和外部触发接口清晰地位于设备背面。
该设备配备 4.3 英寸 TFT 显示屏，并设有九个虚拟按键。最多可同时显示十二个测量参数，包括峰值浪涌电流和过电压。通过高达 50 次谐波的测量，可进行符合 IEC 62000-3-2/4-7 标准的 EMC 合规性预测试。该设备提供 USB（兼容 USBTMC）、RS232 和 LAN 接口，方便用户配置自动化测试。在分析并网系统时，积分功能可提供全面的电流和有功功率 (Wh) 测量，并支持自动量程切换。
图 3：5335C 功率计可以测定输入电压高达 600 V 的 PWM 调速电机的效率；可以使用外部电流传感器。
电子数据采集：
新型高效的电子设计依赖于对传感器采集数据的深入理解，而当我们深入机器学习 (ML) 领域时，总会存在数据缺失。ML 算法使嵌入式软件工程师能够通过基于规则的编程来应对极其复杂的挑战。检测电机或电源性能下降等长期问题，需要了解动态工作条件下的局部和环境温度、电流消耗、负载变化以及输入/输出电压。
“设置后即可忘记”的工具，例如 Digilent MCC USB-230 DAQ 设备 [footnoteRef:6]，是低成本获取所需数据的理想选择。它们提供两种采样率选项：50 kS/s (USB-231) 和 100 kS/s (USB-234)，可通过 micro-USB Type B 接口轻松连接到计算机（图 4）。该设备具有四个 16 位差分输入或八个 ±10 V 非平衡输入（±30 V 浪涌保护），模拟测量带宽为 300 kHz。模拟输出的工作电压也高达 ±10 V，每个通道的最大更新速率为 5 kS/s。八个 I/O 口的工作电压高达 5 V，电流为 ±4 mA。此外，该设备还配备一个 32 位计数器，用于记录低到高状态转换。
图 4：使用基于 USB 的 Digilent MCC USB-230 DAQ 进行专业数据采集；连接条用于将信号连接到数据采集单元。
与通常情况一样，USB-230 数据采集卡会配备一套相应的软件工具它拥有简洁的拖放式界面，能够清晰地显示数据，并支持连接同一台计算机的多个 USB-230 设备。此外，还有一个 MCC 通用库，供 希望开发满足自身特定需求的定制数据采集软件的用户使用，该库支持 Windows 平台上的 Python 编程。Linux 开发人员也可以使用 uldaq 库。这些数据采集卡还兼容 LabVIEW 和 MATLAB。
串行接口分析：
更换微控制器供应商时，最大的挑战之一是弄清楚外设的工作原理。寄存器、功能和数据手册的描述总是各不相同。因此，使用串行接口可能相当困难，开发人员通常不确定他们是否正确理解和配置了波特率等参数。所以，如果您还没有逻辑分析仪，那么购置一台绝对是个好主意。
而且，现在没有理由不买。像 SparkFun USB9 ，以人人都能负担得起的价格，提供 24 MHz 的采样率和 8 个通道（图 5）。该设备使用开源的 sigrok10 软件项目，并提供适用于各种情况的解码器。除了经典的串行、SPI 和 I2C 解码器之外，您还可以解码用于 EEPROM、七段数码管、DALI、LIN、CAN 和各种 Arm 处理器调试接口的协议（图 6）。
图 5：作为一款能够快速调试任何类型串行接口的工具，很难找到比 SparkFun 8 通道 24 MHz USB 逻辑分析仪更好的产品。
该硬件可处理高达 5.25V 的信号，并通过 USB 端口供电。颜色编码的母对母跳线简化了与目标系统的连接，因此某些开发板（例如 Arduino）需要额外的公头连接器。入门非常简单，这要归功于 SparkFun 提供的优秀教程，该 涵盖了 sigrok 的图形用户界面 (GUI) 和命令行界面 (CLI)。
所有测量信号，无论大小。
工程师们一直以来都依赖高质量数据来做出合理的系统设计决策，无论是在系统开发还是其他方面。能源效率或许是当今最紧迫的问题之一，因此开发团队可能会越来越关注配备各种功能的功率分析仪。此外，越来越多的应用需要通过采用机器学习技术来改进。即使是简单的神经网络，也需要大量数据才能进行有效的学习，而这正是数据采集 (DAQ) 的用武之地。虽然微控制器和串行接口非常出色，但通常仍存在一些难以理解的问题。得益于低成本硬件和开源社区的努力，现在再也没有理由不使用逻辑分析仪来解释线路背后的工作原理了。
成绩
[1] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/carlo-gavazzi-em5x0-energy-analyzers/n-5gf3Z2opfnb
[2] https://iea.blob.core.windows.net/assets/d69b2a76-feb9-4a74-a921-2490a8fefcdf/EE_for_ElectricSystems.pdf
[3] https://biconconsultants.com/difference-between-ie2-and-ie3-motors/
[4] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/bk-precision-5335c/n-5gf3Z22te6a
[5] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/digilent-mcc-usb-230-daq-devices/n-5gf3Z31isz5
[6] https://www.mccdaq.com/software-downloads.aspx
[7] https://pypi.org/project/mcculw/
[8] https://github.com/mccdaq/uldaq
[9] https://eu.mouser.com/new/sparkfun/sparkfun-usb-logic-analyzer/
[10] https://sigrok.org/wiki/Main_Page
[11] https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-the-usb-logic-analyzer-with-sigrok-pulseview
作者： Stuart Cording（代表 Mouser Electronics）
