河北省衡水第一中學(xué) 范睿哲

基于程控電阻的寬幅電流測(cè)量采集系統(tǒng)

河北省衡水第一中學(xué) 范睿哲

現(xiàn)有電流測(cè)量采集系統(tǒng)往往是事先估計(jì)待采集電流信號(hào)的幅值范圍，計(jì)算出合適的采樣電阻值，其電阻值是固定的。當(dāng)電流信號(hào)的幅值范圍改變時(shí)，又必須重新計(jì)算采樣電阻值并將新的采樣電阻更換代替原有采樣電阻。更換電阻操作繁瑣甚至有些測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行采樣電阻的更換。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于程控電阻的電流測(cè)量采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前測(cè)量的電流信號(hào)幅值范圍自動(dòng)改變采樣電阻值，從而滿足寬幅電流采集的要求。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)潔，測(cè)量范圍寬、精度高，自動(dòng)化程度高，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于寬幅電流采集的各種場(chǎng)合。

電流采集；采樣電阻；程控電阻；AD采集

1. 引言

電流信號(hào)是電路中的最基本的物理量之一，電流的測(cè)量采集是電路故障檢測(cè)與分析的基本方法。電流的采集通常比較困難，電壓的采集通常使用AD采集即可，因此可以使用采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)采集。ADC的最大電壓一定，當(dāng)電流較大時(shí)，需要較小的采樣電阻以保證信號(hào)不溢出，當(dāng)電流較小時(shí)，需要較大采樣電阻以保證良好的測(cè)量精度，而一般測(cè)量系統(tǒng)都無(wú)法經(jīng)常性的更換電阻。基于以上問(wèn)題，本文提出了基于程控電阻的電流測(cè)量采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前的電流大小自動(dòng)改變采樣電阻的大小，以滿足更寬幅電流采集。

首先，電流轉(zhuǎn)換為電壓后可以使用ADC對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，非常方便的得到對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值，其次，相應(yīng)的電阻的大小也反映了對(duì)原始數(shù)據(jù)的放大倍數(shù)，在小電流系統(tǒng)中，對(duì)信號(hào)的放大將有效提高采集的精度。本文中使用STM32控制采集系統(tǒng)中接入的電阻的數(shù)量與數(shù)值，配置出合理的采用電阻值，通過(guò)內(nèi)置ADC進(jìn)行電壓采集，歸算電流信號(hào)，使用串口上送電腦端。

2. ADC采集系統(tǒng)原理

2.1 電流電壓的轉(zhuǎn)換

電壓的采集測(cè)量通常使用AD采集，電流的測(cè)量一般為間接式測(cè)量，即通過(guò)電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過(guò)AD采集進(jìn)行電流的測(cè)量。ADC所能采集的電壓的幅值是一定的，電壓值過(guò)大會(huì)出現(xiàn)超量程，采集信號(hào)失真；電壓值過(guò)小則采集的精度差，增大系統(tǒng)的誤差，誤差太大將導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真甚至錯(cuò)誤。

2.2 ADC采集原理

AD轉(zhuǎn)換就是把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。AD轉(zhuǎn)換的流程包括采樣，保持，量化，編碼四個(gè)過(guò)程。

電壓采樣必須滿足奈奎斯特采樣定量，即采樣頻率大于等于電壓信號(hào)最高頻率的兩倍。

保持即為了完成量化工作，量化是將模擬信號(hào)按照量化單位取整處理。

編碼就是將已經(jīng)量化的電壓數(shù)值使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行存儲(chǔ)。

AD采集的最小分辨率為：

AD采集的數(shù)值與所采電壓的關(guān)系為：

其中Vref為參考電壓，也為ADC所能采集的最大電壓值，ADC為AD采集所得的數(shù)值。

逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換的邏輯框圖如圖1所示。它的組成見(jiàn)下圖，電壓比較器，控制邏輯電路，時(shí)鐘，數(shù)據(jù)寄存器，移位寄存器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器每一位的數(shù)字1都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的模擬量權(quán)值，從高位開(kāi)始，依次對(duì)每一位輸入電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出進(jìn)行對(duì)比，判定該位是1或是0，通過(guò)n次對(duì)比得到輸出數(shù)字值。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，能耗低，成本低廉。

圖1 ADC采集邏輯圖

3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)選用ST公司的STM32F103C8T6作為微處理器。該CPU內(nèi)核為ARM32位的CortexTM，工作頻率較高，具有48個(gè)引腳，4個(gè)16位定時(shí)器，內(nèi)部集成12位的ADC，3個(gè)串口。單片機(jī)通過(guò)采集的ADC值計(jì)算需要接入的電阻值大小，通過(guò)IO口控制繼電器來(lái)控制來(lái)選通接入的采樣電阻。單片機(jī)系統(tǒng)與采樣電路系統(tǒng)采用光耦進(jìn)行光電隔離，防止強(qiáng)電系統(tǒng)與弱電系統(tǒng)的耦合，降低系統(tǒng)的不安全因素，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采樣電阻部分選用5個(gè)可任意可選通的電阻，通過(guò)不同的電阻值的組合一匹配不同的電流大小需要。

硬件的電路使用Altium Designer進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行PCB電路板的生產(chǎn)與繪制。Altium Designer包含原理圖PCB的設(shè)計(jì)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與PCB打印非常方便。Altium Designer入門簡(jiǎn)單，功能齊全，非常適合初簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)。

單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示，包括供電模塊，供電指示燈，運(yùn)行指示燈，RESET電路，啟動(dòng)引導(dǎo)電路，時(shí)鐘電路。繼電器控制電阻電路如圖3所示，使用五個(gè)繼電器控制五個(gè)電阻的接入。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

圖3 繼電器與電阻接線圖

4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分使用C語(yǔ)言編寫。C語(yǔ)言是一門面向過(guò)程的高級(jí)計(jì)算及編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言入門簡(jiǎn)單，方便易學(xué)，功能強(qiáng)大，目前大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都是使用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)工具，具有良好的兼容性。

程序的流程圖如圖所示，系統(tǒng)初始化主要包括單片機(jī)系統(tǒng)初始設(shè)置，ADC初始化。通過(guò)AD采集判定是否越界，如果AD>95%，則通過(guò)控制繼電器減小電阻的接入，如果AD<5%，則通過(guò)控制繼電器增大電阻的接入。

圖4 程序控制流程圖

5. 結(jié)論

本文中提出了一套完整的寬幅電流采集處理的硬件與軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集電流值為數(shù)字量，便于后期的分析處理，采集精度高且不受電流的幅值變化的影響。硬件系統(tǒng)由單片機(jī)為核心，增加了系統(tǒng)的靈活性和后期可修改性，減小了硬件系統(tǒng)的尺寸。本系統(tǒng)的測(cè)量量程范圍自動(dòng)調(diào)整，在不同的電流幅值下，能達(dá)到較高的測(cè)量精度。測(cè)量系統(tǒng)使用方便，適合工程實(shí)踐應(yīng)用。

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