網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的采樣電路設(shè)計(jì)與研究

0 引言

網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)與信息安全的保障，其硬件模塊需要進(jìn)行特別的防護(hù)和管理監(jiān)控，以保證各個(gè)設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性，其中，設(shè)計(jì)具有保護(hù)功能的電路來(lái)提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全功能是目前應(yīng)用最多的方法之一。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模塊的電流、電壓和溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣，能夠直接反應(yīng)出系統(tǒng)各個(gè)功能的可靠性。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，電路設(shè)計(jì)可行性的模擬驗(yàn)證逐漸得到廣泛的重視與應(yīng)用，降低了設(shè)計(jì)成本。

文中針對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)中硬件的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采樣電路的總體布局及外圍電路，運(yùn)用Mu1tisim驗(yàn)證電壓及電流信號(hào)的特性值。該設(shè)計(jì)方案對(duì)于縮減研發(fā)成本及研發(fā)周期有著重要的意義。

1 采樣電路設(shè)計(jì)

1.1 電壓采樣電路

在電壓信號(hào)采集中，文中采用端電壓方式進(jìn)行采集，能夠滿足單體模塊的信號(hào)采集要求，其電壓采集電路如圖1所示。

圖1 電壓采集電路

圖1中，R1和R4取1K?，R2和R3是可變電阻，是為了方便調(diào)節(jié)不同的輸出電壓，其阻值范圍為 0-20K?，實(shí)際工作時(shí)應(yīng)該使R1=R2=1K?，但輸入到芯片端口的電壓不能超過(guò)5V，因此，文中在輸出端加了一個(gè)5V的穩(wěn)壓管，用來(lái)保護(hù)芯片的A/D端口。電路中的運(yùn)算放大器的型號(hào)為L(zhǎng)M358，其內(nèi)部包括有兩個(gè)高增益的，獨(dú)立的雙運(yùn)算放大器。C1，C2和C3的值為10uF，C4為0.1uF。電壓采樣值送入控制模塊STM32F103VCT6單片機(jī)的AD口，采樣電路板如圖2所示。

1.2 電流采樣電路

電流是估算設(shè)備是額定工作的重要參數(shù)，也是硬件管理系統(tǒng)中過(guò)流保護(hù)的一個(gè)重要參考因素，因此，對(duì)于電流數(shù)據(jù)，需要保證其采樣的精度。

霍爾電流傳感器是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進(jìn)行電流測(cè)量的一種傳感器?；魻栃?yīng)傳感器主要包括原邊和副邊等主要結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中可以采用宇波模塊CHB-100SF霍爾電流傳感器來(lái)對(duì)電流進(jìn)行采樣。CHB-100SF霍爾電流傳感器額定電流100A，輸出電流100mA。霍爾電流傳感器滿足的主要關(guān)系式為：

Is×Ns= Ip×NP

式中：

Ip——原邊電流；

Is——副邊電流；

NP——原邊線圈匝數(shù)；

Ns——副邊線圈匝數(shù)。

為保證測(cè)量精度，將電流傳感器額定測(cè)量值設(shè)置為被測(cè)信號(hào)的1～1.5倍。

在采樣時(shí)，將首先將電流進(jìn)行IV轉(zhuǎn)換，用一個(gè)分流電路將傳感器輸出的電壓進(jìn)行分流，使得進(jìn)入IV轉(zhuǎn)換的電流最大值為25mA。在轉(zhuǎn)換器加一偏移電壓，偏移電壓將電壓的變化范圍從-2.5V～2.5V變?yōu)?V～5V，使之符合單片機(jī)AD口輸入需求。采樣RM采用精密電阻，在實(shí)際應(yīng)用中RM=32?/2W，其采集電路如圖2所示，電流采樣值送入控制模塊 STM32F103VCT6單片機(jī)的AD口。

圖2 電流采集電路

1.3 溫度采樣電路

在網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)中，諸多模塊對(duì)自身的溫度有著較高的要求，比如供電模塊，高溫工作條件下的放電容量要高于低溫時(shí)的放電容量，但工作環(huán)境溫度持續(xù)升高會(huì)使供電模塊內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)而產(chǎn)生大量氣體，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的損害，會(huì)明顯降低各個(gè)模塊的使用壽命。一般地，控制溫度范圍為-10℃～45℃為宜。

溫度的數(shù)據(jù)采集采用DS18B20，其采用獨(dú)特的一線總線方式傳輸信息，從而使得在多個(gè)溫度檢測(cè)中可最大程度簡(jiǎn)化系統(tǒng)布線。把18B20的DQ口全部掛接到主控制機(jī)的一個(gè)帶有4.7K上拉電阻的IO口上，每個(gè)18B20的電源接3.3V，如圖3所示。溫度采樣值送入控制模塊STM32F103VCT6單片機(jī)的AD口。

圖3 18B20溫度檢測(cè)電路

2 Multisim數(shù)值模擬與驗(yàn)證

2.1 電壓采集電路仿真

為測(cè)試所設(shè)計(jì)的電壓采集電路是否能夠完成預(yù)定的功能，借助Mu1tisim對(duì)電壓采集電路進(jìn)行仿真分析。通過(guò)在Mu1tisim中對(duì)simu1ation選項(xiàng)的控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓檢測(cè)的模擬。仿真中設(shè)置如下：“儀器”選項(xiàng)中選取“萬(wàn)用表”；輸出端與萬(wàn)用表的“+”相連；萬(wàn)用表的“-”接地，選擇直流電壓功能；在電壓輸入端設(shè)定端電壓為2.5V。點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，雙擊萬(wàn)用表將其打開(kāi)，觀察萬(wàn)用表示值如圖4所示。

由圖4可以看出，在誤差影響下，電壓計(jì)量值為2.506V，與輸入值2.5V是一致的。停止仿真后，采用同樣的方法將電源電壓調(diào)整為 3.7V，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，電壓表示值為 3.706V，與輸入值3.7V一致，由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)采樣電路符合要求。

圖4 2.5V仿真電路與電壓表示值

2.2 電流采樣電路仿真

由于電流信號(hào)最終要轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，因此，在Mu1tisim中對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，其具體設(shè)置如下：“儀器”中選擇“萬(wàn)用表”；輸出端與萬(wàn)用表的“+”相連；萬(wàn)用表的“-”接地，選擇直流電壓功能；在電壓輸入端設(shè)定端電壓為2.5V；給LM741運(yùn)放供電，供電方式為±12V。

設(shè)置好電路中各項(xiàng)參數(shù)后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，雙擊萬(wàn)用表，如圖5所示，得出輸出電壓值2.501V，與設(shè)定值一致。

圖5 電流采樣仿真

將原偏移電壓進(jìn)行接地處理，再次仿真運(yùn)行觀察輸出電壓值，如圖6所示。通過(guò)仿真結(jié)果可知，偏移電壓能夠有效的對(duì)電流采樣電路的輸出電壓值進(jìn)行有效的電壓偏移，使輸出電壓值在單片機(jī)AD口的電壓輸入范圍之內(nèi)。因此，本方案設(shè)計(jì)的電流采集電路是可行的。

圖6 偏移電壓的去除仿真

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)采樣電路的準(zhǔn)確性，文中制備了電流檢測(cè)電路樣板，如圖7所示。通過(guò)測(cè)試對(duì)比，得出電流的實(shí)際測(cè)量值及誤差如表1所示。由表1可以看出，所設(shè)計(jì)的電流采樣電路在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，隨著測(cè)量電流的增大，誤差不斷增大。但是電流測(cè)量誤差在可接受范圍之內(nèi)。

圖7 電流檢測(cè)電路

表1 實(shí)際電流值和測(cè)量值及誤差

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的采樣電路，重點(diǎn)對(duì)電壓采集電路、電流采集電路和溫度采集方式進(jìn)行了研究，通過(guò)Mu1tisim對(duì)電壓、電流采樣電路的仿真，驗(yàn)證出在考慮誤差影響的前提下，該設(shè)計(jì)方案是可行性的，對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的模塊功能和降低設(shè)計(jì)成本均有著重要的意義。