多通道高精度高壓測量裝置設計與實現(xiàn)

羅 旋，鮑 鵬

?

多通道高精度高壓測量裝置設計與實現(xiàn)

羅 旋，鮑 鵬

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

工業(yè)現(xiàn)場對電壓測量精度要求高，為此設計了一種多通道、高精度的直流電壓測量裝置，用于測量±1000 V電壓。該裝置使用高精密運算放大器OPA4277和24位AD轉換器ADS1251實現(xiàn)信號輸入與轉換，核心微控制器使用基于ARM Cortex-M3的芯片LPC1788，采用低通濾波和采樣濾波相結合的算法來降低噪聲干擾，給出了基于最小二乘法的線性擬合方式來進一步提高測量精度，設計的CAN通信方式可以對多通道數(shù)據(jù)同時傳輸。長時間持續(xù)測試結果顯示：該裝置可以同時對八路電壓信號正確測量，各通道輸出穩(wěn)定、波動程度小、滿量程相對誤差達到0.3‰，說明設計的電壓測量裝置測量精度高、穩(wěn)定性好，測量容量大，具有較高的應用價值。

高精度 多通道 高壓測量 穩(wěn)定性好

0 引言

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場對測量技術的要求也在不斷提高，電壓是電子電路中最常用的指標之一，其精確的測量結果能更具體的反映電路或設備的性能好壞。高精度、高量程的電壓測量對應的技術難度往往更高，設計成本也更大，目前使用比較多的高精度電壓測量表主要是安捷倫、福祿克等國外公司的產品，費用相對較高[1-4]。本文設計了一種高精度的直流高壓測量設備，由硬件電路和軟件程序兩部分組成。硬件電路完成模擬信號的輸入、轉換以及存儲，軟件程序實現(xiàn)數(shù)字信號的讀取、濾波、校正擬合并輸出。本文設計的電壓測量裝置在精度測量方面基本能達到工業(yè)現(xiàn)場的要求，但相比目前市面上常用的高精度萬用表，在價格方面具有更大的優(yōu)勢。

1 總體方案設計

本文設計的8通道高精度直流高壓測量裝置系統(tǒng)結構如圖1所示，以1個通道為例說明，8個通道結構基本一致。

輸入的±1000 V模擬電壓先由降壓電路進行第一次電壓轉換，使之下降到集成運放OPA4277正常工作電壓±15 V范圍內。運放單元輸出電壓與基準電壓源提供的2.5 V電壓差值作為ADS1251的差分輸入。由CPLD統(tǒng)一提供時鐘信號控制8個通道的AD轉換，并將轉換后的24位數(shù)字信號串行輸入到CPLD指定的地址內存中，由LPC1788并行讀取8路信號并進行濾波處理、線性擬合并通過CAN網輸出。每一個通道中各元件的基準電壓由精度為0.2%的基準電壓源REF3025統(tǒng)一提供，通道之間以及前后級電路之間的隔離采用光耦隔離元件HCPL-0600實現(xiàn)，電路由24 V直流電源供電，運放單元±15 V電源電壓由電源模ZY2415WRACS-1W轉換獲得，AD轉換器中+5 V電源電壓由+15 V電壓經過電壓調節(jié)器MC78M05ABDT轉換獲得。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 硬件電路設計

2.1 前級輸入電路

前級輸入電路由降壓電路和轉換電路組成，如圖2所示。高精度電阻組成的分壓電路將±1000 V的模擬電壓信號降低到集成運放OPA4277正常輸入范圍內，再由OPA4277進一步變換。運放單元電路中在輸入回路和反饋支路中加上了適當大小的電容，用于減少高頻信號干擾。另外在±15 V電源端也使用了電容元件，以降低開關電源模塊產生的干擾因素。

圖2 轉換電路

即由降壓電路和兩級運放單元共同作用，將±1000 V的電壓轉換到0~5 V范圍內。

2.2 AD轉換電路

電壓測量中的關鍵部分就是AD轉換單元，AD轉換的精度直接影響了最終的測量精度。本文選用的模數(shù)轉換單元ADS1251是一款Δ-Σ結構的ADC芯片，具有24位高分辨率和20 kHz的高速轉化速率[5]。由+5 V的電源供電，外部參考電壓設置為2.5 V，由基準電壓源REF3025提供。采用SOT-23-3封裝的REF3025具有低功耗、低溫漂、高精度等優(yōu)異性能，能持續(xù)提供一個穩(wěn)定的直流參考電壓。

前級輸入電路將電壓變換到0~5 V范圍內，與基準電壓源REF3025提供的2.5 V電壓的差值作為ADS1251的差分輸入。ADS1251差分輸入范圍為-2.5 V ~2.5 V，對應轉化為24位十六進制數(shù)范圍為0x800000-0x7FFFFF，控制轉化過程的時鐘信號SCLK由CPLD中30 MHz的時鐘信號4分頻得到，CPLD選用Altera的EPM1270T144I5N系列，轉換后的24位數(shù)據(jù)串行輸入到CPLD指定地址內存中。同時使用了光耦隔離元件HCPL-0600，其轉換速率高達10 Mbit/s，工作溫度范圍廣(-40°C~85°C)，實現(xiàn)了TTL兼容，能很好地用于AD轉換中的數(shù)字隔離，保證系統(tǒng)的無擾運行。

2.3 ARM芯片選型

LPC1788是NXP 半導體針對各種高級通訊，高質量圖像顯示等應用場合設計的一款具有高集成度、以Cortex-M3 為內核的微控制器，具有512 kB的片上閃存程序存儲器，四個通用定時器，1個獨立的電源域的實時時鐘，雙通道CAN控制器，三個同步串行端口控制器SSP，208針封裝的165個通用GPIO引腳，具有標準的JTAG 測試/調試接口以及串行線調試和串行線跟蹤端口選項，可使用ARM/Keil軟件開發(fā)工具進行調試[6]。

LPC1788芯片使用引腳P3_0到P3_15來獲取CPLD中數(shù)據(jù)，通過中斷服務子程序來并行讀取對應地址內存中的數(shù)據(jù)。

3 軟件程序實現(xiàn)

軟件程序要實現(xiàn)對LPC1788芯片的初始化與配置，數(shù)據(jù)讀取、濾波處理與線性擬合，以及CAN通訊等功能，采用ARM/Keil軟件編寫程序代碼，編程語言為C語言。

3.1 LPC1788芯片初始化配置

芯片的初始化包括了任務線程的創(chuàng)建，引腳設置，參數(shù)的初始化，定時器與中斷設置等，如圖3所示。函數(shù)OSTaskCreateExt用于建立一個新的任務，并設置任務ID和優(yōu)先級，定義任務堆棧及大小，定義指向任務堆棧的指針等；設置IOCON寄存器中相應位數(shù)值來控制器件管腳功能；使能芯片計數(shù)器功能并匹配中斷(IR)，根據(jù)數(shù)據(jù)讀取的速率確定中斷產生頻率，并在中斷服務函數(shù)TIMER_IRQHandler中進行數(shù)據(jù)讀取和處理。

3.2 數(shù)據(jù)讀取與處理

3.2.1數(shù)據(jù)讀取

CPLD 從8路ADS1251中按照最大轉換速率不斷讀取每一路的24位轉換結果，并按小端模式存儲在兩個16位寄存器中，低8位固定用0補齊，一共使用了16個16位寄存器來存儲8個通道的轉換結果。LPC1788芯片通過訪問這16個寄存器來獲取結果并合并為8個32位有符號位數(shù)據(jù)。程序中通過在定時器中斷服務子程序中讀取數(shù)據(jù)，讀取頻率為8 kHz。

圖3 芯片初始化配置

3.2.2 濾波算法

1）低通濾波算法

模擬信號中一般包括有來自被測信號本身、傳感器或者外界擾動的各種噪聲和干擾，為了保證測量的精確和可控必須要消除它們。周期性的噪聲干擾如50 Hz的工頻信號，在AD轉換電路中可被消除，不規(guī)則的隨機擾動信號就需要采用數(shù)字濾波的方法來削弱或者消除。

本文中使用的低通濾波算法是將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，便可以用軟件算法來模擬硬件濾波的功能。低通濾波算法一般應用于慣性較大的系統(tǒng)，在目標參數(shù)為變化緩慢的物理量時具有理想的效果[7,8]。低通濾波算法公式如式(2)：

()=()+(1-)() (2)

其中() 為本次濾波輸出值，()為上一次濾波輸出值，()為本次采樣值，為濾波參數(shù)，取值一般遠小于1。

2）采樣濾波算法

為了實現(xiàn)比較高的測量精度，進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，除了采用低通濾波算法外，程序中還使用了采樣濾波的方法，即多次采樣取最優(yōu)值。實現(xiàn)過程為：連續(xù)采集若干個測量值，去掉其中的最大值和最小值，剩下的值取平均作為一個優(yōu)化過的采樣點。

采用濾波的方法能有效減少信號的干擾，降低輸出信號的波動情況，提高穩(wěn)定性，但與此同時會降低采樣頻率，因此在使用的時候要從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和實時有效性兩方面來綜合考慮，確定濾波參數(shù)。

3.2.3線性擬合

本文設計的電壓測量裝置輸入端是±1000 V的高壓，需要經過降壓電路和運放電路轉換到AD轉換電路的正常工作大小范圍內，因此輸出值與輸入值之間存在一個比例關系。加上在轉化的過程中存在誤差，輸入值與輸出值之間可以用一階線性回歸模型=來表示，本文采用最小二乘法來確定回歸模型的系數(shù)和。

有若干組輸入值y和輸出值x，令殘差e=y-(kx+)，最小二乘法就是使所有殘差平方和最小來確定回歸系數(shù)[9]。令：

使最小來確定、的值，則有式(3)。

求解方程組即可得到回歸系數(shù)k與b。8個通道依次測量，計算出每個通道的擬合系數(shù)，并代入程序中。

3.3 CAN通訊實現(xiàn)

CAN通訊屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN網絡上的節(jié)點不分主從，任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調度”[10~11]。

本文中使用的CAN通訊方式符合CAN2.0B規(guī)范，幀格式為含有29位標識符的擴展幀，數(shù)據(jù)域包含了8個字節(jié)，波特率設置為500 kbps。將相鄰兩個通道的測量數(shù)據(jù)合并到一條報文的數(shù)據(jù)域，一次需要4條報文將8個通道的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

4 測試結果驗證

圖4 輸入等效電路

高壓直流電源的輸出脈動一般較大，尤其是在低壓段，為了能夠充分驗證設計的電壓測量裝置的性能，在考慮了能耗和精度誤差之后，對輸入端的分壓電路做了圖4所示等效轉換，使用輸出穩(wěn)定的鋰離子電池提供模擬輸入信號。

將4節(jié)額定電壓為3.3 V的鋰離子電池串聯(lián)，先在8個通道分別正接和反接1-4節(jié)電池，使用這8組測量數(shù)據(jù)進行一階線性方程擬合，并將8組擬合系數(shù)分別代入程序中。輸入端鋰離子電池電壓使用高精度萬用表Keysight測量，使用自制的上位機軟件，可以長時間測量萬用表讀數(shù)值和實際輸出值，同時可以保存并繪制數(shù)據(jù)曲線。取樣頻率為4取2。本文測試了低通濾波參數(shù)分別為1、1/4、1/16、1/256時各通道相對誤差千分比，濾波參數(shù)越小，則濾波作用越明顯，整體上測量的精度也越高，但濾波參數(shù)越小，相應的采樣頻率也會下降，綜合考慮這兩方面的因素，結合測試結果，將低通濾波參數(shù)取為1/16。由于篇幅有限，表1和表2給出了濾波參數(shù)分別為1和1/16時測量結果相對誤差（千分比）的統(tǒng)計值。

表1 濾波參數(shù)為1時相對誤差（千分比）統(tǒng)計

延長測量時間，在每個測量點上測量半個小時左右，連續(xù)測量一到兩個周，記錄各通道輸出值的波動情況以及測量誤差值。統(tǒng)計每個通道的最大輸出波動值（見表5）、最大絕對誤差值Δmax和最大滿量程相對誤差max，由于篇幅有限，只給出通道1~通道4的測量誤差統(tǒng)計情況，見表4和表5。

表2 濾波參數(shù)為1/16時相對誤差（千分比）統(tǒng)計

表3 通道輸出波動值統(tǒng)計(單位：mV)

表4 通道1和通道2測量精度統(tǒng)計

表5 通道3和通道4測量精度統(tǒng)計

測量點(mV)(‰)(mV)(‰) -13.260.22780.303 -9.960.22770.265 -6.670.26540.152 -3.360.22740.152 3.330.11430.114 6.630.11440.152 9.940.15260.227 13.260.22770.265

從上述表中可以看出，8個通道輸出值的波動基本維持在2 mV范圍內，滿量程相對誤差千分比基本保持在0.3‰的范圍內，說明設計的電壓測量設備在長時間運行之后依然能保持較好的穩(wěn)定性和較高的測量精度。

5 結論

本文采用軟硬件相結合的方式設計了一款多通道高精度高壓測量裝置，采用LPC1788為核心控制器，以高精度的集成運放OPA4277、AD轉換器ADS1251、基準電壓源REF3025等構成了信號輸入、轉化和輸出電路。在軟件方面，使用了低通濾波和取樣濾波的方法來削弱噪聲和干擾的影響，同時采用最小二乘法對輸入和輸出值進行一階線性擬合，進一步減小誤差提高精度，設計了CAN通訊的方式可以同時將8路測量數(shù)據(jù)傳輸出來。經過長時間的實驗測試，各個通道輸出值的波動穩(wěn)定在2 mV的范圍內，滿量程相對誤差基本在0.3‰左右，說明設計的測量裝置具有較好的穩(wěn)定性和較高的測量精度，在工業(yè)現(xiàn)場具有一定的應用價值。

[1] 龍諾春, 李進東, 彭英旺. 基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測試儀設計[J]. 電子技術與軟件工程, 2017(17): 200-201.

[2] 王敏, 程鐵棟, 黃峰鵬. 一種高精度電壓測量表設計[J]. 數(shù)字技術與應用, 2014, (05): 158-159.

[3] 謝小峰, 郭宏林, 楊永鋒. ADS1251在高精度穩(wěn)流電源中的應用[J]. 電氣傳動自動化, 2011, 33(05): 37-41.

[4] 王志偉, 陸錦軍. 基于C51的多通道高精度電壓轉換模塊設計[J]. 電子器件, 2016, 39(01): 36-40.

[5] 尹泉, 康慨, 王慶義, 王傲能. 基于AD7612的高精度電壓檢測技術及實現(xiàn)[J]. 電子測量技術, 2010, 33(12): 43-46, 83.

[6] 龔智, 趙翠, 徐林杰, 范月霞. 基于LPC1788微處理器USB驅動和應用程序設計[J]. 電腦編程技巧與維護, 2017(01): 13-15, 36.

[7] 白楊, 楊家強, 曾爭. 諧波檢測算法中高性能數(shù)字低通濾波器的設計[J]. 浙江大學學報(工學版), 2013, 47(01): 169-173.

[8] 郭松林, 王琳, 王學偉. 基于數(shù)字低通濾波器的采樣測量方法的研究[J]. 計量學報, 2006, (02): 164-168.

[9] 陳良波, 鄭亞青. 基于最小二乘法的曲線擬合研究[J]. 無錫職業(yè)技術學院學報, 2012, 11(05): 52-55.

[10] 蔡花, 朱宏翔. 基于MC9S12X的CAN通訊的底層代碼設計[J]. 汽車實用技術, 2015, (01): 4-6.

[11] 王慶雙, 蔡冬生. 基于ARM的CAN通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 航空電子技術, 2011, 42(01): 9-13.

Design and Implementation of Multi-channel High Precision Voltage-measuring Device

Luo Xuan, Bao Peng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP216

A

1003-4862（2018）10-0024-05

2018-04-12

羅旋（1992-），女，碩士，助理工程師，研究方向為嵌入式控制。E-mail: luoxuan_taurus@163.com