基于STM32的多點(diǎn)電流采集與監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 濤

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院， 安徽 合肥 230011)

MSXF-240RS2型大米色選機(jī)的電源供電端、交流伺服電機(jī)供電端、PLC電源端、光電轉(zhuǎn)換電路供電端組件需在合適的電流下工作，電流過低會影響組件的工作效率，而電流過高會導(dǎo)致組件過流或過熱，機(jī)器受損[1-6]，同時(shí)交流伺服電機(jī)又需進(jìn)行電流閉環(huán)控制。因此，急需研制一種多點(diǎn)電流檢測設(shè)備，以觀測各部件工作電流變化趨勢，并兼容多點(diǎn)電路電流采集以及為閉環(huán)控制算法或故障診斷算法提供必要的電流數(shù)據(jù)等。目前，對電流檢測、器件保護(hù)、與電流控制技術(shù)的研究越來越多[7-11]。石砦等[12]提出一種基于混沌信號時(shí)域波形包絡(luò)特征的觸電電流混沌檢測方法，解決了某些電流保護(hù)裝置觸電電流信號難提取的問題，結(jié)果表明，提出的混沌判據(jù)可準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)周期狀態(tài)和混沌狀態(tài)，能夠在較小檢測誤差情況下(4.64%)檢測出總剩余電流中的電流信號。李捷等[13]設(shè)計(jì)了基于CAN總線的對脈沖電源模塊充放電以及數(shù)據(jù)采集的分布式控制及在線電流檢測裝置，解決了高重頻脈沖功率電源放電異常等問題，利用Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)脈沖電源模塊的快速控制與故障診斷。龍小麗等[14]認(rèn)為在科學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域中都需要進(jìn)行微弱電流信號的檢測，并提出了一種基于STM32+FPGA的微弱電流檢測系統(tǒng)，提出檢測系統(tǒng)可經(jīng)由信號轉(zhuǎn)換放大濾波電路模塊、信號采集電路、STM32、FPGA、上位計(jì)算機(jī)等組成，其論述為多種傳感器數(shù)據(jù)采集與檢測設(shè)備提供了設(shè)計(jì)思路。目前針對多點(diǎn)電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和傳感器熱插拔研究很少，且沒有較友好的多點(diǎn)電流采集上位機(jī)解決方案。市場上主流的檢測設(shè)備處理器包括51單片機(jī)、STC系列單片機(jī)、STM32高端處理器、DSP數(shù)據(jù)處理器、FPGA可編程門陣列等，通過某種傳感單元將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量或電壓模擬量，經(jīng)過處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過某些界面設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)[15]，如李明等[7]為增加酒精傳感器測量點(diǎn)數(shù)，基于UCOS操作系統(tǒng)和STM32F4單片機(jī)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可用于多種酒精檢測場合的酒精檢測裝置，基于STemWin設(shè)計(jì)制作了系統(tǒng)圖形化界面，并通過LCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

筆者基于STM32F4單片機(jī)，研制了一種9路電流采集與實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，通過單片機(jī)的ADC功能將9路WCS1800霍爾電流傳感器傳回的電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。通過CH340G串口轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)串口通信協(xié)議向USB通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)終端機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。在電流數(shù)據(jù)的末尾拼接字符串“A1”～“A9”區(qū)分1～9路電流數(shù)據(jù)。通過MATLABGUI開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體組成

圖1所示系統(tǒng)的整體組成包括：STM32F 429型單片機(jī)、USB電源、穩(wěn)壓與降壓電路、電源接通LED指示燈、串口轉(zhuǎn)換電路、上位機(jī)、傳感器組(WCS1800-1-WCS1800-9)、復(fù)位電路、晶振電路、LED指示燈、按鍵模組等。單片機(jī)選擇為STM32F429系列，該系列單片機(jī)集成了ARM的Cortex-M7內(nèi)核，具有DSP指令和浮點(diǎn)運(yùn)算單元，工作頻率最大可配置為180 MHz，集成了3個(gè)12位的獨(dú)立ADC，可以提供24個(gè)輸入通道。因此，可為多點(diǎn)電流采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的硬件保障。

圖1 系統(tǒng)整體組成

USB電源使用標(biāo)準(zhǔn)的USB線為終端機(jī)提供電源，由于STM32的工作電壓為3.3 V，需使用穩(wěn)壓與降壓芯片實(shí)現(xiàn)USB的標(biāo)準(zhǔn)5V電壓到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換。電源LED用于在電源接通時(shí)點(diǎn)亮，以表明系統(tǒng)電源接通，單片機(jī)可在正常電壓下工作。傳感器組采用WCS1800霍爾電流傳感器，共9路(WCS1800-1～WCS1800-9)，傳感器的電壓模擬量輸出口(DOUT引腳)分別與單片機(jī)的GPIOA1-GPIOA9引腳連接。上位機(jī)在MATLABGUI環(huán)境下設(shè)計(jì)，界面功能包括串口配置、當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示、電流曲線顯示和關(guān)于產(chǎn)品等。復(fù)位電路用于在系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常時(shí)復(fù)位系統(tǒng)；晶振電路用于為單片機(jī)提供具有固定頻率的晶振信號；按鍵模組用于終端機(jī)與上位機(jī)通信，以判斷串口配置是否正常；LED指示燈用于指示當(dāng)前的工作傳感器，共9個(gè)，分別對應(yīng)9路(WCS1800-1～WCS1800-9)霍爾電流傳感器。

1.2 穩(wěn)壓降壓電路

使用LM1086-3.3芯片實(shí)現(xiàn)5～3.3 V的降壓與穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。電源LED指示燈通過1 kΩ限流電阻與電源的高電平連接，電壓高電平從LM1086-3.3芯片的2號OUT引腳輸出(圖2)。

圖2 穩(wěn)壓降壓電路

1.3 CH340G電路

如圖3所示，采用CH340G芯片實(shí)現(xiàn)串口通信協(xié)議到USB通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，二者在數(shù)據(jù)通信時(shí)可兼容使用。芯片的TXD和RXD引腳分別與單片機(jī)的PA10和PA9連接；UD-和UD+分別與標(biāo)準(zhǔn)四線的USB接口D-和D+連接，USB接口采用標(biāo)準(zhǔn)的5V電源供電。芯片的XI和XO引腳連接其工作晶振，設(shè)計(jì)芯片的工作晶振頻率為12 MHz。

圖3 3USB轉(zhuǎn)串口CH340G電路

1.4 WCS1800霍爾電流傳感器

選擇使用WCS1800型霍爾電流傳感器檢測模塊，兼具精確性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，在模塊上集成了LM393運(yùn)放電路，工作電壓為USB供電5 V電壓。模塊的電流檢測范圍寬直流35 A和交流25 A，過流信號設(shè)置分辨率為1.5 A，模塊輸出信號為一路模擬信號和一路高電平信號。對于直流電路，檢測電流大小為

(1)

式中：V0為傳感器模塊輸出電壓；Vcc為參考電壓，5V；K為傳感器線性度，60 mV/A；正負(fù)號±為電流流入傳感器反、正方向符號。

1.5 按鍵模組

按鍵模組包括4個(gè)機(jī)械按鍵，分別與單片機(jī)的PI4～PI7連接，當(dāng)PI4～PI7按鍵按下時(shí)，單片機(jī)向串口發(fā)送字符串“I0.2”“I4.2”“I20.2”“I111.2”，通過字符串首字母“I”判斷為電流數(shù)據(jù)，首字母“I”后的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)代表電流值的大小(并非實(shí)際電流值)，從小數(shù)位到百數(shù)位逐漸變化。通過上位機(jī)的串口接收數(shù)據(jù)本框查看單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體程序流程

系統(tǒng)整體程序流程經(jīng)過一系列的初始化后再進(jìn)行操作系統(tǒng)UCOSIII的初始化(圖4)，在UCOSIII操作系統(tǒng)打開后可創(chuàng)建系統(tǒng)任務(wù)啟動函數(shù)AppTaskStart，在該任務(wù)函數(shù)中進(jìn)行電流測量任務(wù)：傳感器1任務(wù)—傳感器9任務(wù)，任務(wù)啟動后自動進(jìn)入對應(yīng)的傳感器1任務(wù)循環(huán)—傳感器9任務(wù)循環(huán)，此時(shí)STM32的PC指針將在這9個(gè)任務(wù)間切換。在傳感器的任務(wù)循環(huán)中，經(jīng)同一條串口總線將檢測得到的電流數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，為了區(qū)分到底是哪一路傳感器傳回的數(shù)據(jù)，采用在電流數(shù)據(jù)的末尾拼接字符串“A1”～“A9”的方法區(qū)分傳感器1～傳感器9的電流數(shù)據(jù)，因此可實(shí)現(xiàn)傳感器的熱插拔操作。將系統(tǒng)任務(wù)設(shè)置為10個(gè)，包括：創(chuàng)建起始任務(wù)和9個(gè)傳感器任務(wù)，設(shè)置起始任務(wù)的優(yōu)先級為6，任務(wù)的堆棧容量為128 B，時(shí)間片長度為0 ms；9個(gè)傳感器任務(wù)的優(yōu)先級相同，均為5，任務(wù)的堆棧容量均為512 B，時(shí)間片長度為20 ms。

圖4 系統(tǒng)整他程序流程

2.2 ADC初始化程序

以傳感器1任務(wù)的使用的ADC為例(圖5)，進(jìn)入初始化函數(shù)后首先進(jìn)行GPIO的初始化，傳感器1的ADC對應(yīng)單片機(jī)引腳PA1，在引腳配置時(shí)需將PA1配置為模擬量輸入模式，并設(shè)置ADC的工作模式為連續(xù)轉(zhuǎn)換和禁止掃描采集的獨(dú)立模式，將ADC轉(zhuǎn)換頻率設(shè)置為12 MHz；最后進(jìn)行中斷配置，將中斷分組設(shè)置在1組，設(shè)置響應(yīng)優(yōu)先級為1，子優(yōu)先級為1，簡稱“111”模式。

圖5 ADC初始化程序

2.3 電流測量任務(wù)

9路電流測量任務(wù)的函數(shù)體基本相同，其測量任務(wù)如圖6所示。

圖6 電流測量任務(wù)

函數(shù)變量err用于操作系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)存儲故障信息。函數(shù)變量cycle為for循環(huán)變量，用于循環(huán)cycle次對電流數(shù)據(jù)的采集，循環(huán)cycle次后自動退出for循環(huán)。函數(shù)變量sumADC_Current為循環(huán)cycle次后的電流數(shù)據(jù)總和，用于計(jì)算電流數(shù)據(jù)平均值使用。函數(shù)變量ADC_Current_Vol為電流數(shù)據(jù)值，在任務(wù)函數(shù)中兩次使用，一次是保存?zhèn)鞲衅鞑杉碾娏鲾?shù)據(jù)，另一次為計(jì)算電流數(shù)據(jù)平均值使用。函數(shù)變量current_Vol為電流值變量，用于存儲經(jīng)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換后的電流值，該數(shù)據(jù)為最終的電流值。任務(wù)函數(shù)通過串口通信方式向上位機(jī)發(fā)送電流數(shù)據(jù)，函數(shù)最后對其堆棧中的變量進(jìn)行清零操作。

2.4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)檢測界面如圖7所示，其界面包括“打開串口”按鈕，串口調(diào)試窗口、9個(gè)電流數(shù)據(jù)曲線顯示窗口、9個(gè)當(dāng)前電流值顯示文本框(在無電流數(shù)據(jù)時(shí)顯示為NULL1—NULL9)、“啟動”按鈕、關(guān)于系統(tǒng)文本框。

圖7 上位機(jī)界面

打開系統(tǒng)界面后，通過“啟動”按鈕啟動系統(tǒng)，此時(shí)“啟動”按鈕文本更改顯示為“關(guān)閉”。系統(tǒng)啟動后將自動掃描電流采集系統(tǒng)終端機(jī)發(fā)送的信號，一旦接收到信號后，系統(tǒng)提示是否打開串口(圖8)，用戶可通過“Yes”“No”和“Cancel”按鈕進(jìn)行選擇，選擇后用戶通過“打開串口”按鈕打開終端機(jī)所連接的串口，并將串口號顯示在“串口號”文本框中。通過按下并松開按鈕模組，向上位機(jī)發(fā)送串口數(shù)據(jù)，按鈕按下瞬間進(jìn)行按鈕狀態(tài)的讀取，但不立刻向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在上位機(jī)中的串口調(diào)試窗口顯示終端機(jī)向上位機(jī)發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，從而判斷串口連接及串口數(shù)據(jù)傳輸是否正常。

圖8 串口檢測與詢問窗口

9個(gè)當(dāng)前電流值顯示文本框用于顯示9路電流傳感器傳回的9路電流值，在未檢測到電流值或傳感器未連接時(shí)顯示NULLi(i=1,2,…,9)，當(dāng)有電流值時(shí)，對應(yīng)的電流值文本顯示框?qū)?shí)時(shí)顯示當(dāng)前采集到的電流值。9個(gè)電流數(shù)據(jù)曲線顯示窗口用于以實(shí)時(shí)曲線的方式顯示9路電流傳感器傳回的電流值，用戶可根據(jù)曲線顯示結(jié)果觀測電流值歷史變化情況。因此，該上位機(jī)界面可為用戶提供當(dāng)前電流值讀取接口和電流值歷史變化情況，通過對比觀測更加充分地了解電流變化過程。

2.5 系統(tǒng)調(diào)試

對大米色選機(jī)的工業(yè)電源供電端、交流伺服電機(jī)供電端、PLC電源端、光電轉(zhuǎn)換電路供電端的4個(gè)重要電路進(jìn)行電流采集，并將傳感器連接在系統(tǒng)的第1，3，5和7通道上，在產(chǎn)品正常工作的情況下，得到電流值的變化過程見圖9?？芍ǖ?、通道3、通道5、通道7，均檢測出了電流值，在產(chǎn)品正常工作情況下，測得第1通道電流為1.3 A左右，變化幅值不超過0.02 A；測得第3通道電流為1.7 A，變化幅值不超過0.01 A；測得第5通道電流為0.6 A，變化幅值不超過0.02 A；測得第7通道電流為1.0 A，變化幅值不超過0.02 A，可知系統(tǒng)得到了較穩(wěn)定電流測量值。

圖9 電流變化過程

對第1通道進(jìn)行短路連接測試，并在電路中加裝繼電器保護(hù)開關(guān)，用于在短路電流過大時(shí)及時(shí)斷開電源，得到電流值的變化情況(圖10)?？芍陂_始階段電流基本穩(wěn)定在1.3 A，變化幅值不超過0.02 A。在采集點(diǎn)為500時(shí),將電路進(jìn)行短路連接，得到的電流值瞬間增大。當(dāng)電流值最大達(dá)500 A時(shí)，說明傳感器已不再正常工作。此時(shí)繼電器開關(guān)打開，電流值又瞬間變化到0 A，變化幅值不超過0.01 A。因此，可通過加裝繼電器開關(guān)保護(hù)裝置等對產(chǎn)品的關(guān)鍵電路進(jìn)行過電流保護(hù)，以避免短路情況發(fā)生時(shí)燒壞產(chǎn)品。

圖10 短路測試

3 結(jié) 語

筆者研制了一種多點(diǎn)電流采集與監(jiān)視系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件組成與軟件設(shè)計(jì)。采用霍爾型電流傳感器對電流值進(jìn)行采集，使用單片機(jī)的ADC功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使用串口轉(zhuǎn)換芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送至使用MATLAB GUI開發(fā)的上位機(jī)界面中。通過電流檢測和過電流短路試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定可靠，可應(yīng)用于多種需電流測量的生產(chǎn)現(xiàn)場。