摘要：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，智能電子產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，因此對(duì)電路的電流監(jiān)測(cè)必不可少。文章設(shè)計(jì)了電流信號(hào)處理模塊、ADS1118電壓采集模塊、STM32F103ZET6主控模塊、NT35510和GT1151電容觸摸屏顯示模塊。各個(gè)模塊之間耦合性低，模塊集成度高，使用簡(jiǎn)單，拓展性強(qiáng)。采樣電流在觸摸屏上進(jìn)行顯示，觸摸屏可以對(duì)電流參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，數(shù)據(jù)調(diào)整簡(jiǎn)單易操作。本設(shè)計(jì)已應(yīng)用在部分產(chǎn)品，通過應(yīng)用和測(cè)試，效果良好，同時(shí)為后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：智能；電流；采集；測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，智能電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛。為了在使用過程中對(duì)智能電子產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，也為今后的故障排除更加方便，對(duì)電路的電流監(jiān)測(cè)必不可少。從電器角度而言，電流檢測(cè)裝置分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測(cè)量一般在電路中接入采樣電阻，通過電阻兩端的電勢(shì)差來反推電流大小。而非接觸式電流采集一般通過檢測(cè)電流周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)，采用電流互感器、霍爾傳感器、羅氏線圈、光纖電流傳感器等來實(shí)現(xiàn)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由電流信號(hào)處理模塊、ADS1118電壓采集模塊、STM32F103ZET6主控、NT35510和GT1151電容觸摸屏顯示模塊組成。各個(gè)模塊之間耦合性低，模塊集成度高，使用簡(jiǎn)單，拓展性強(qiáng)。依據(jù)“法拉第電磁感應(yīng)定律”和“安培環(huán)路定律”可知：當(dāng)被測(cè)電流沿軸線通過電流互感器線圈中心時(shí)，會(huì)在環(huán)形繞組所環(huán)繞的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)大小的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度H可由安培環(huán)路定律求得：

∮H·dl=I（t）

由此可知，線圈的感應(yīng)電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化率成正比，即：

e（t）=di/dt

所以求得e（t）的積分即可獲得電流I。

為了測(cè)量較大的電流信號(hào)，同時(shí)也為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集及處理，使用線圈繞組作為電流互感器^［1］，其原邊為單匝線圈，副邊為多匝線圈，可以將一側(cè)母線上的電流信號(hào)減小到另一側(cè)。對(duì)于輸出電壓Vout可以由如下公式求得：

Vout=M di/dt

通過積分器將線圈輸出的電壓積分即可得到一個(gè)交流電壓信號(hào)，這個(gè)交流電壓信號(hào)可以準(zhǔn)確地顯示被測(cè)電流的波形。積分器電路如圖1所示。

串聯(lián)式峰值檢波器無隔直特性，并聯(lián)式峰值檢波器由于有電容的存在，擁有隔直能力，因此應(yīng)用更為廣泛。當(dāng)交流電壓u（t）的正半周波形施向二極管時(shí)，u（t）對(duì)電容C充電，當(dāng)u（t）波形過峰值后，此時(shí)電容兩端的電壓大于u（t），二極管截止，電容C會(huì)慢速放電，而后當(dāng)u（t）第二個(gè)半周施向二極管時(shí)，u（t）高于C兩端的電壓，u（t）向電容C充電，如此反復(fù)，最后C上的電壓平均值會(huì)接近u（t）的峰值^［2］。需要注意的是，峰值檢波電路中的RL和C值對(duì)應(yīng)不同頻率的測(cè)量電壓，但要使檢波器的充電時(shí)間遠(yuǎn)大于放電時(shí)間，放電時(shí)間也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)的最大周期，RL也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)回路的內(nèi)阻。

電路最終輸出電壓Vo與被測(cè)電流i在一定的范圍內(nèi)近似線性化，由于AD采集量程問題，如需擴(kuò)大量程，可以考慮縮減電壓輸出比例，以擴(kuò)大量程，缺陷在于由于ADC采集精度固定，會(huì)同步降低最終電流值的精度。而且在靠近量程極限時(shí)容易出線飽和或者進(jìn)入非線性區(qū)域，這時(shí)就需要調(diào)節(jié)電路參數(shù)以適應(yīng)不同量程電路。

在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量較低電流時(shí)，二極管的壓降造成的實(shí)際影響不能忽略，因此，文章最終設(shè)計(jì)增加了復(fù)位開關(guān)對(duì)電容進(jìn)行放電，消除了二極管壓降所造成的影響。整體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

不同電路由于工藝的問題，無法做到完全一致，在理論計(jì)算完成后，需進(jìn)行校準(zhǔn)和定標(biāo)，如誤差過大，需對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件代碼由C語言編寫，使用ADS1118來進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)采集，通過屏幕觸摸實(shí)現(xiàn)按鍵切換，實(shí)現(xiàn)各界面圖的編程。

ADS1118是來自TI的16 bit精度ADC，同時(shí)片內(nèi)集成溫度傳感器，可允許差分輸入或單端輸入。自帶1 MHz的晶振以及內(nèi)部參考電壓源，因此外部電路較為簡(jiǎn)單，同時(shí)功能十分強(qiáng)大，轉(zhuǎn)換速度8～860 SPS可調(diào)，在較低轉(zhuǎn)換速度時(shí)，采樣精度有所提升。同時(shí)片內(nèi)集成可編程增益放大器，量程±0.256 V～±6.144 V可調(diào)節(jié)^［3］，可根據(jù)所測(cè)電流幅值進(jìn)行自由選擇，當(dāng)程序檢測(cè)到電壓數(shù)據(jù)處于較小量程時(shí)，可自動(dòng)切換至較小的量程以增加測(cè)量精度。

ADS1118支持單次轉(zhuǎn)換模式和循環(huán)讀取模式，在本設(shè)計(jì)中采取循環(huán)讀取模式以增加讀取速度，簡(jiǎn)化讀取流程。ADS1118內(nèi)部?jī)H有兩個(gè)寄存器，采用SPI接口進(jìn)行讀寫，將其數(shù)據(jù)接口接到STM32片上外設(shè)SPI2上，以使用STM32硬件SPI降低內(nèi)核占用。

顯示屏由STM32片上外設(shè)FSMC驅(qū)動(dòng)，將屏幕數(shù)據(jù)在初始化階段或跳轉(zhuǎn)時(shí)寫入內(nèi)存后，后續(xù)測(cè)量時(shí)僅需修改測(cè)量數(shù)據(jù)即可，屏幕數(shù)據(jù)由FSMC進(jìn)行寫入，避免了整頁(yè)寫入占有內(nèi)核大量算力，提高了測(cè)量效率。

GT1151Q觸摸芯片則由軟件模擬IIC時(shí)序進(jìn)行通信。GT1151Q僅需4個(gè)引腳與主控相連，分別是INT，/RST，IIC_SCL和IIC_SDA。其中INT為中斷引腳，用于檢測(cè)坐標(biāo)變化，/RST為復(fù)位引腳，IIC_SCL和IIC_SDA為IIC接口的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。由于STM32所有IO口均支持中斷，而且IIC時(shí)序由軟件模擬得到，因此GT1151Q可以連接在STM32任意空閑引腳上^［4］。

頻率測(cè)量由STM32定時(shí)器輸入捕獲來完成，輸入的正弦信號(hào)經(jīng)由硬件電路變換成方波輸入主控，主控通過輸入捕獲可測(cè)量除兩次上升沿之間的時(shí)間差T，而周期的倒數(shù)即為頻率。

參數(shù)設(shè)定可設(shè)置電流上限值，參數(shù)超過設(shè)定參數(shù)時(shí)蜂鳴器長(zhǎng)鳴報(bào)警，同時(shí)軟件控制電磁繼電器切斷信號(hào)輸入以確保電路不會(huì)被燒壞。若想重新測(cè)試，重啟即可。

3 數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果

用信號(hào)發(fā)生器給出信號(hào)，串聯(lián)電阻已經(jīng)測(cè)量得出采樣電阻，然后接入電流信號(hào)檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1所示。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，被測(cè)正弦電流頻率范圍為50 Hz～2 kHz，被測(cè)電流在1～10 mA時(shí)，電流測(cè)量精度優(yōu)于5%，被測(cè)電流在10～50 mA 范圍時(shí)，電流測(cè)量精度優(yōu)于1%，頻率測(cè)量精度優(yōu)于1%。經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)量，采集數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求。若對(duì)精度或速度有額外的要求，可修改ADS1118的采樣速率或可編程增益放大器以達(dá)到要求。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要完成了基于STM32的觸摸屏電流信號(hào)采集設(shè)計(jì)，在相關(guān)理論的參考依據(jù)下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流信號(hào)的頻率和幅值進(jìn)行測(cè)量，并且在屏幕上進(jìn)行顯示，顯示部分由STM32片上外設(shè)FSMC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了內(nèi)核生成時(shí)序時(shí)的等待時(shí)間，極大地加快了程序運(yùn)行速度。但是本設(shè)計(jì)依舊有許多不足之處，例如測(cè)量范圍依舊局限于50 mA以下，更高電流會(huì)影響線性化結(jié)果，造成測(cè)量誤差過大；不同線圈之間差異無法通過硬件調(diào)節(jié)來消除，只能通過軟件重新校準(zhǔn)和定標(biāo)；頻率的采集可經(jīng)由STM32高級(jí)定時(shí)器的PWM輸入捕獲功能來測(cè)算等。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王雪芬）

Design of touch screen current signal acquisition based on STM32

Wang Haizhen， Bao Tingting， Chang Xuyang， Liu Xiaozhao

（College of Mechanical and Electrical Technology， Suzhou Institute of Economics and Technology， Suzhou 215000， China）

Abstract： With the continuous development of modern electronic technology， intelligent electronic products are widely used， so the current monitoring of circuits is indispensable. In this paper， the current signal processing module， the ADS1118 voltage acquisition module， the STM32F103ZET6 main control module， and the NT35510 and GT1151 capacitive touch screen display modules are designed. The coupling between each module is low， the module is highly integrated， simple to use and highly expandable. Finally， the sampled current is displayed on the touch screen， which can adjust the current parameters， and the data adjustment is simple and easy to operate. This design is applied in some products， through application and testing， the effect is good， and at the same time provides reference for subsequent research.

Key words： intelligent; current; acquisition; test