基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測(cè)試儀設(shè)計(jì)

文/龍諾春 李進(jìn)東 彭英旺

基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測(cè)試儀設(shè)計(jì)

文/龍諾春 李進(jìn)東 彭英旺

許多電能設(shè)備對(duì)電源的電壓電流精度要求很高，因此，高精度的電壓電流測(cè)試儀是非常重要的。采用嵌入式ARM Cortex-A9處理器、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件LTC2449和高增益放大器AD8221等元器件設(shè)計(jì)一個(gè)電壓電流測(cè)試儀，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流的高精度測(cè)試要求。該測(cè)試儀還具有觸摸屏人機(jī)接口與溫度檢測(cè)等功能。

嵌入式 ARM 高精度 電壓電流 測(cè)試儀

1 前言

當(dāng)今社會(huì)，充電的電能設(shè)備在各個(gè)方面的使用很廣泛，在人們的生活中也非常豐富，例如：手機(jī)、充電寶、純電瓶驅(qū)動(dòng)的新能源汽車、電瓶自行車等。隨著充電電能設(shè)備的推廣應(yīng)用，其使用壽命和安全性是人們關(guān)注的主題，那么怎么才能使電能設(shè)備擁有更長(zhǎng)的壽命、同時(shí)也能更安全呢？通常情況下，通過檢測(cè)電能設(shè)備電壓電流的大小來(lái)自動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行，當(dāng)電壓或電流的大小超出了設(shè)定的安全值時(shí)便會(huì)報(bào)警并切斷電源。但是，對(duì)于精度要求很高的電能設(shè)備如何進(jìn)行電壓電流檢測(cè)與控制，這是值得研究的課題。

基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測(cè)試儀設(shè)計(jì)，采用嵌入式ARM Cortex-A9處理器為核心，若采樣電路誤差非常小且性能穩(wěn)定，采樣信號(hào)的精度就很高，通過高性能運(yùn)算放大器對(duì)采樣信號(hào)放大，并經(jīng)高精度的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后生成的數(shù)字信號(hào)經(jīng)ARM處理器處理后，能保證高精度的電壓電流檢測(cè)。這就是該項(xiàng)目的高精度電壓電流測(cè)試儀設(shè)計(jì)理念。

2 高精度電壓電流測(cè)試儀的方案設(shè)計(jì)

根據(jù)高精度電壓電流測(cè)試儀設(shè)計(jì)理念，該高精度電壓電流測(cè)試儀以飛思卡爾I.MX6Q Cortex-A9四核處理器為核心，由高精度電壓、電流與溫度采樣電路，高性能放大器AD8221，24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2449，觸摸屏，LCD顯示器及報(bào)警電路組成，測(cè)試儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 測(cè)試儀工作原理

該測(cè)試儀利用電壓采樣電路、電流采樣電路、溫度采樣電路將電能設(shè)備的工作電流、電壓與溫度進(jìn)行采樣，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)高性能放大器AD8221放大后，通過24位LTC2449A/ D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，輸送給嵌入式ARM飛思卡爾 I.MX6Q Cortex-A9四核處理器，處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)處理后，最后輸送到LCD顯示屏上顯示出用電設(shè)備的工作電壓、電流與溫度的大小。同時(shí)利用觸摸屏人機(jī)接口，在界面中能進(jìn)行安全電壓、電流設(shè)定，設(shè)定的值會(huì)與接收到的值進(jìn)行比較，如果大于或者等于設(shè)定值將會(huì)報(bào)警，以便提示用戶切斷電源，從而達(dá)到對(duì)設(shè)備的保護(hù)作用。

2.2 元器件的選擇與功能分析

為了保障測(cè)試儀的高精度和高性能要求，元器件的選擇是非常重要的。如果元器件的性能不好，穩(wěn)定性差，就會(huì)影響測(cè)試儀的性能，如果元器件的精度不高，測(cè)試儀的精度就不可能達(dá)到要求。因此，對(duì)采樣電阻的性能和精度要求高，能保證精準(zhǔn)的采樣值，對(duì)運(yùn)算放大器的性能和精度要求高，能保證采樣值經(jīng)放大后不失真，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的性能和精度要求高，能保證采樣值誤差非常小的送到處理器，從而保證測(cè)量值的精確。

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 采樣電阻

采樣電阻一般不用碳膜電阻，而選擇錳銅電阻。碳膜電阻是用有機(jī)粘合劑將碳墨、石墨和填充料配成懸浮液涂覆于絕緣基體上，經(jīng)加熱聚合而成。碳膜電阻成本較低，電性能和穩(wěn)定性較差，碳膜電阻器誤差率一般分為三個(gè)等級(jí)：I級(jí)的誤差率為5%，II二級(jí)的誤差率為10%，III級(jí)的誤差率為20%，顯然誤差率較大。錳銅電阻是具有電阻穩(wěn)定特性的合金材料組成，它具有電阻溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并可制成粉、線、箔、片、帶、棒、管等形狀，表面還可以被覆各種絕緣材料。由于錳銅電阻具有很小的電阻、溫度系數(shù)和對(duì)銅的電熱勢(shì)低及電阻的高穩(wěn)定性特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用錳銅電阻作業(yè)采樣電阻。

2.1.2 高性能放大器AD8221

高性能放大器AD8221是一款增益可編程的儀表放大器，在同類產(chǎn)品中，其相對(duì)于頻率的共模抑制比（CMRR）最高。相對(duì)于頻率的高共模抑制比使得AD8221可以抑制帶寬干擾和線路諧波，大大簡(jiǎn)化了濾波要求。AD8221引腳布局圖如圖2所示。

圖2：AD8221引腳布局圖

AD8221的傳遞函數(shù)公式如（1）所示：

圖3：數(shù)據(jù)處理程序流程圖

AD8221的增益選擇：將一個(gè)電阻跨接在RG引腳上，即可設(shè)置AD8221的增益，電阻值大小可根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

電壓、電流采樣信號(hào)可接到AD8221的1、4引腳上，信號(hào)放大值由7號(hào)引腳輸出，7號(hào)引腳接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2449的模擬量輸入端。

2.1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2449

LTC2449 是8/16通道（4/8差分）的高速24 位無(wú)延遲增量累加的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該器件采用一種專有的增量累加型架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可變速度/分辨率。具有10種速度/分辨率組合，可通過一個(gè)簡(jiǎn)單的四線式串行接口來(lái)選擇，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器沒有轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的延遲，對(duì)于偏移、全標(biāo)度、線性度、漂移等情況都不會(huì)影響DC準(zhǔn)確度。此外，還可選擇一種 2X 速度模式，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá) 7kHz (如果采用一個(gè)外部振蕩器則為 8kHz) 的輸出頻率和單周期延遲?？衫靡粋€(gè)從地電位至VCC的共模輸入范圍來(lái)選擇單端或差分輸入的任意組合，這與VREF 無(wú)關(guān)。當(dāng)工作于 1X 速度模式時(shí)，在選擇了一個(gè)新的速度、分辨率或通道之后的第一個(gè)轉(zhuǎn)換是有效的。由于轉(zhuǎn)換操作之間沒有穩(wěn)定時(shí)間，因此能以一個(gè) 500Hz 的頻率掃描所有 8 個(gè)差分通道。在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部復(fù)位，從而消除了連續(xù)轉(zhuǎn)換之間的任何記憶效應(yīng)，并確保高階增量累加型調(diào)制器的穩(wěn)定性。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2449與嵌入式飛思卡爾I.MX6Q Cortex-A9四核處理器采用SPI總線連接，實(shí)現(xiàn)24位的數(shù)據(jù)輸出，模擬量輸入信號(hào)可接到LTC2449的16路輸入的任意引腳上，當(dāng)然，也可采用差分接入方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是在硬件基礎(chǔ)上開發(fā)的，基于Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要有觸摸屏界面（包括LCD顯示）的Qt程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理（包括報(bào)警功能）程序設(shè)計(jì)和SPI總線的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容。由于SPI總線的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，下面主要介紹Qt程序設(shè)計(jì)內(nèi)容和數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3.1 Qt界面程序設(shè)計(jì)

Qt界面程序設(shè)計(jì)主要是為了能通過界面簡(jiǎn)便直觀的操作測(cè)試儀，并通過顯示界面顯示測(cè)試的數(shù)據(jù)，主要有以下內(nèi)容：

（1）主界面功能：顯示測(cè)試電壓、電流、額定電壓、額定電流、當(dāng)前溫度值等，能進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面和校準(zhǔn)界面。

（2）參數(shù)設(shè)置界面功能：可設(shè)置安全電壓范圍、安全電流范圍、安全溫度范圍等，并能取消或保存設(shè)置值。

（3）校準(zhǔn)界面功能：能進(jìn)入相關(guān)校準(zhǔn)界面，對(duì)電壓校準(zhǔn)和電流校準(zhǔn)。

（4）電壓校準(zhǔn)界面功能：能顯示采樣電流、精確電流和精確度等值，并具有預(yù)校準(zhǔn)、設(shè)置、計(jì)算、下載、清空數(shù)據(jù)等功能。

（5）電流校準(zhǔn)界面功能：能顯示采樣電壓、精確電壓和精確度等值，并具有預(yù)校準(zhǔn)、設(shè)置、計(jì)算、下載、清空數(shù)據(jù)等功能。

3.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)主要是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，判斷電壓、電流、溫度等有關(guān)數(shù)據(jù)是否超出了設(shè)定的界限值，如果超出了界限值便進(jìn)行報(bào)警或切斷回路，如果沒有超出設(shè)定的界限值，便在QT界面上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理程序的流程圖如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測(cè)試儀主要由嵌入式ARM Cortex-A9處理器、高性能放大器AD8221器件和24位的LTC2449模數(shù)轉(zhuǎn)換器件組成，并具有觸摸屏人機(jī)接口功能、LCD信息顯示功能及溫度檢測(cè)功能。該測(cè)試儀能夠精準(zhǔn)的檢測(cè)出電能設(shè)備輸入或輸出的電壓電流大小，性能穩(wěn)定可靠，操作方便直觀，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]王永明等.高精度儀表放大器AD8221增益控制的設(shè)計(jì)[J].工程與試驗(yàn),2012(04):61-62.

[2]奚海蛟等.嵌入式LINUX驅(qū)動(dòng)程序?qū)崙?zhàn)開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012:145-154.

作者單位廣東白云學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 廣東省廣州市 510450

龍諾春（1964-），男，湖南省邵陽(yáng)市人。廣東白云學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，副教授/高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)技術(shù)、智能控制技術(shù)。彭英旺（1991-），男，廣東省化州市人。廣東白云學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，電子信息工程專業(yè)學(xué)生。

“電子信息工程專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目（廣東省質(zhì)量工程：20131131088）。