基于程控電阻的寬幅電流測量采集系統

河北省衡水第一中學 范睿哲

基于程控電阻的寬幅電流測量采集系統

河北省衡水第一中學 范睿哲

現有電流測量采集系統往往是事先估計待采集電流信號的幅值范圍，計算出合適的采樣電阻值，其電阻值是固定的。當電流信號的幅值范圍改變時，又必須重新計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量系統無法進行采樣電阻的更換。針對以上問題，本文設計了一套基于程控電阻的電流測量采集系統，該系統可以根據當前測量的電流信號幅值范圍自動改變采樣電阻值，從而滿足寬幅電流采集的要求。該系統具有電路簡潔，測量范圍寬、精度高，自動化程度高，易于擴展等優(yōu)點，可廣泛應用于寬幅電流采集的各種場合。

電流采集；采樣電阻；程控電阻；AD采集

1. 引言

電流信號是電路中的最基本的物理量之一，電流的測量采集是電路故障檢測與分析的基本方法。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轉換為電壓信號采集。ADC的最大電壓一定，當電流較大時，需要較小的采樣電阻以保證信號不溢出，當電流較小時，需要較大采樣電阻以保證良好的測量精度，而一般測量系統都無法經常性的更換電阻?；谝陨蠁栴}，本文提出了基于程控電阻的電流測量采集系統，該系統可以根據當前的電流大小自動改變采樣電阻的大小，以滿足更寬幅電流采集。

首先，電流轉換為電壓后可以使用ADC對電壓信號進行采樣，非常方便的得到對應的電壓數值，其次，相應的電阻的大小也反映了對原始數據的放大倍數，在小電流系統中，對信號的放大將有效提高采集的精度。本文中使用STM32控制采集系統中接入的電阻的數量與數值，配置出合理的采用電阻值，通過內置ADC進行電壓采集，歸算電流信號，使用串口上送電腦端。

2. ADC采集系統原理

2.1 電流電壓的轉換

電壓的采集測量通常使用AD采集，電流的測量一般為間接式測量，即通過電阻將電流轉換為電壓信號，再通過AD采集進行電流的測量。ADC所能采集的電壓的幅值是一定的，電壓值過大會出現超量程，采集信號失真；電壓值過小則采集的精度差，增大系統的誤差，誤差太大將導致數據嚴重失真甚至錯誤。

2.2 ADC采集原理

AD轉換就是把模擬電壓轉換成數字量。AD轉換的流程包括采樣，保持，量化，編碼四個過程。

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，量化是將模擬信號按照量化單位取整處理。

編碼就是將已經量化的電壓數值使用計算機語言進行存儲。

AD采集的最小分辨率為：

AD采集的數值與所采電壓的關系為：

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

逐次比較型模數轉換的邏輯框圖如圖1所示。它的組成見下圖，電壓比較器，控制邏輯電路，時鐘，數據寄存器，移位寄存器，數模轉換器。數模轉換器每一位的數字1都對應相應的模擬量權值，從高位開始，依次對每一位輸入電壓與數模轉換輸出進行對比，判定該位是1或是0，通過n次對比得到輸出數字值。該模數轉換器的優(yōu)點是轉換速度快，能耗低，成本低廉。

圖1 ADC采集邏輯圖

3. 系統硬件設計

硬件系統選用ST公司的STM32F103C8T6作為微處理器。該CPU內核為ARM32位的CortexTM，工作頻率較高，具有48個引腳，4個16位定時器，內部集成12位的ADC，3個串口。單片機通過采集的ADC值計算需要接入的電阻值大小，通過IO口控制繼電器來控制來選通接入的采樣電阻。單片機系統與采樣電路系統采用光耦進行光電隔離，防止強電系統與弱電系統的耦合，降低系統的不安全因素，提高系統的穩(wěn)定性。采樣電阻部分選用5個可任意可選通的電阻，通過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進行設計，并進行PCB電路板的生產與繪制。Altium Designer包含原理圖PCB的設計，進行電路設計與PCB打印非常方便。Altium Designer入門簡單，功能齊全，非常適合初簡單電路設計。

單片機最小系統如圖2所示，包括供電模塊，供電指示燈，運行指示燈，RESET電路，啟動引導電路，時鐘電路。繼電器控制電阻電路如圖3所示，使用五個繼電器控制五個電阻的接入。

圖2 單片機最小系統圖

圖3 繼電器與電阻接線圖

4. 系統軟件設計

軟件部分使用C語言編寫。C語言是一門面向過程的高級計算及編程語言。C語言入門簡單，方便易學，功能強大，目前大多數的嵌入式系統都是使用C語言作為開發(fā)工具，具有良好的兼容性。

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

圖4 程序控制流程圖

5. 結論

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。該系統采集電流值為數字量，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。硬件系統由單片機為核心，增加了系統的靈活性和后期可修改性，減小了硬件系統的尺寸。本系統的測量量程范圍自動調整，在不同的電流幅值下，能達到較高的測量精度。測量系統使用方便，適合工程實踐應用。

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