多通道高精度高壓測量裝置設(shè)計與實現(xiàn)

羅 旋，鮑 鵬

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多通道高精度高壓測量裝置設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換器ADS1251實現(xiàn)信號輸入與轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)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(jié)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(shè)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(yīng)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(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場對測量技術(shù)的要求也在不斷提高，電壓是電子電路中最常用的指標(biāo)之一，其精確的測量結(jié)果能更具體的反映電路或設(shè)備的性能好壞。高精度、高量程的電壓測量對應(yīng)的技術(shù)難度往往更高，設(shè)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(chǎn)品，費用相對較高[1-4]。本文設(shè)計了一種高精度的直流高壓測量設(shè)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(zhuǎn)換以及存儲，軟件程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號的讀取、濾波、校正擬合并輸出。本文設(shè)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(shè)計

本文設(shè)計的8通道高精度直流高壓測量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以1個通道為例說明，8個通道結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換，使之下降到集成運放OPA4277正常工作電壓±15 V范圍內(nèi)。運放單元輸出電壓與基準(zhǔn)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(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的24位數(shù)字信號串行輸入到CPLD指定的地址內(nèi)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(wǎng)輸出。每一個通道中各元件的基準(zhǔn)電壓由精度為0.2%的基準(zhǔn)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(zhuǎn)換獲得，AD轉(zhuǎn)換器中+5 V電源電壓由+15 V電壓經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器MC78M05ABDT轉(zhuǎn)換獲得。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 前級輸入電路

前級輸入電路由降壓電路和轉(zhuǎn)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(nèi)，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(dāng)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(guān)電源模塊產(chǎn)生的干擾因素。

圖2 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換到0~5 V范圍內(nèi)。

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路

電壓測量中的關(guān)鍵部分就是AD轉(zhuǎn)換單元，AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換單元ADS1251是一款Δ-Σ結(jié)構(gòu)的ADC芯片，具有24位高分辨率和20 kHz的高速轉(zhuǎn)化速率[5]。由+5 V的電源供電，外部參考電壓設(shè)置為2.5 V，由基準(zhǔn)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(nèi)，與基準(zhǔn)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(yīng)轉(zhuǎn)化為24位十六進制數(shù)范圍為0x800000-0x7FFFFF，控制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的24位數(shù)據(jù)串行輸入到CPLD指定地址內(nèi)存中。同時使用了光耦隔離元件HCPL-0600，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)體針對各種高級通訊，高質(zhì)量圖像顯示等應(yīng)用場合設(shè)計的一款具有高集成度、以Cortex-M3 為內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的JTAG 測試/調(diào)試接口以及串行線調(diào)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(diào)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(wù)子程序來并行讀取對應(yīng)地址內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

3 軟件程序?qū)崿F(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(wù)線程的創(chuàng)建，引腳設(shè)置，參數(shù)的初始化，定時器與中斷設(shè)置等，如圖3所示。函數(shù)OSTaskCreateExt用于建立一個新的任務(wù)，并設(shè)置任務(wù)ID和優(yōu)先級，定義任務(wù)堆棧及大小，定義指向任務(wù)堆棧的指針等；設(shè)置IOCON寄存器中相應(yīng)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(chǎn)生頻率，并在中斷服務(wù)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(zhuǎn)換速率不斷讀取每一路的24位轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)果。LPC1788芯片通過訪問這16個寄存器來獲取結(jié)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(wù)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(zhuǎn)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(yīng)用于慣性較大的系統(tǒng)，在目標(biāo)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(shè)計的電壓測量裝置輸入端是±1000 V的高壓，需要經(jīng)過降壓電路和運放電路轉(zhuǎn)換到AD轉(zhuǎn)換電路的正常工作大小范圍內(nèi)，因此輸出值與輸入值之間存在一個比例關(guān)系。加上在轉(zhuǎn)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?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(diào)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(biāo)識符的擴展幀，數(shù)據(jù)域包含了8個字節(jié)，波特率設(shè)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(jié)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(shè)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(zhuǎn)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(yīng)的采樣頻率也會下降，綜合考慮這兩方面的因素，結(jié)合測試結(jié)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(jié)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(nèi)，滿量程相對誤差千分比基本保持在0.3‰的范圍內(nèi)，說明設(shè)計的電壓測量設(shè)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(jié)論

本文采用軟硬件相結(jié)合的方式設(shè)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(zhuǎn)換器ADS1251、基準(zhǔn)電壓源REF3025等構(gòu)成了信號輸入、轉(zhuǎn)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(shè)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(jīng)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(nèi)，滿量程相對誤差基本在0.3‰左右，說明設(shè)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(yīng)用價值。

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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