基于STM32 的信號(hào)采集卡設(shè)計(jì)

劉萬兵，劉海軍，曹 勇，盧 超，董佳壯

（1.河南安彩高科股份有限公司，河南安陽 455000；2.安陽工學(xué)院，河南安陽 455000）

近幾年，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，技術(shù)也更新迭代[1-2]，我國作為電力消費(fèi)第一大國，一直在不斷提高對(duì)電力行業(yè)的投入，各行各業(yè)對(duì)于電力的需求也在大幅地增加[3]。隨之而來的是對(duì)于電力系統(tǒng)的管理問題，整個(gè)電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)眾多[4-5]，而電力參數(shù)是最能夠體現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的指標(biāo)。由于電力系統(tǒng)的重要性[6]，從系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、精確性及可靠性方面對(duì)電力參數(shù)采集的性能都提出了很高的要求[7-8]。

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展與完善，電力參數(shù)的采集也需要進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)迭代，需要與最新的信號(hào)采集技術(shù)相結(jié)合[9-10]。在對(duì)電力參數(shù)采集時(shí)，需要保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，能夠自動(dòng)從電力系統(tǒng)中獲取電力參數(shù)[11-12]，并將其實(shí)時(shí)顯示出來，使其與相關(guān)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)部門配合，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的智能控制，同時(shí)由于電力設(shè)備具有一定的危險(xiǎn)性，對(duì)設(shè)備操作的安全性也有一定的要求[13]。

在實(shí)際的生產(chǎn)生活過程中，交流電的應(yīng)用最廣泛，因此交流電參數(shù)的采集意義重大[14]。該設(shè)計(jì)以此為出發(fā)點(diǎn)，為了使系統(tǒng)能夠滿足采集數(shù)據(jù)時(shí)的性能要求，選用了處理性能強(qiáng)大且功能穩(wěn)定可靠的STM32 單片機(jī)作為核心控制器，通過對(duì)電壓互感器和電流互感器的選型，設(shè)計(jì)了檢測(cè)電路、顯示電路，并在實(shí)現(xiàn)的過程中，加入了過電流保護(hù)部分，利用STM32 自身的A/D 轉(zhuǎn)換功能，對(duì)信號(hào)檢測(cè)模塊所采集到的信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳輸至顯示模塊將電力參數(shù)實(shí)時(shí)顯示出來，輔以繼電器作為設(shè)備的保護(hù)裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是通過各硬件電路之間協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)，在硬件組成方面，系統(tǒng)主要分為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電壓電流采集電路、繼電器控制保護(hù)電路、電力參數(shù)顯示模塊電路、指示燈電路、主電路保護(hù)電路等。在功能方面，系統(tǒng)主要分為電壓電流采集模塊、單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)核心控制器模塊、參數(shù)顯示模塊。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 單片機(jī)核心模塊設(shè)計(jì)

為了滿足設(shè)計(jì)所達(dá)到的性能，系統(tǒng)選擇ST 公司的STM32F103C8T6 單片機(jī)作為核心模塊的控制器，選用該單片機(jī)不僅僅考慮了設(shè)計(jì)的成本以及功耗，同時(shí)由于該單片機(jī)在功能方面的優(yōu)越性，不僅滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，還能夠提供額外的擴(kuò)展功能，使系統(tǒng)具備了可升級(jí)換代的特性。

1.3 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)檢測(cè)模塊中加入了互感器，將高壓交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換成較小的交流信號(hào)。STM32 單片機(jī)雖然具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能[15]，但是只能完成對(duì)直流信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，無法對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以在得到較小的交流信號(hào)之后，還要對(duì)其進(jìn)行整流濾波處理，之后再將信號(hào)傳輸至單片機(jī)，以此來完成工作。故該設(shè)計(jì)選用TV1005-1M 電壓互感器和TA1005-1M 電流互感器作為檢測(cè)源頭，將系統(tǒng)的交流電壓和電流信號(hào)采集過來，再由整流電路進(jìn)行整流之后，傳輸?shù)絊TM32 的模數(shù)輸入端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，具體采集和整流電路如圖2 所示。

圖2 檢測(cè)模塊原理圖

1.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊采集完電力參數(shù)，由單片機(jī)對(duì)所采集到的信號(hào)進(jìn)行換算得出實(shí)際值。為了能夠?qū)⑾到y(tǒng)采集到的電壓、電流、功率及用電量等電力參數(shù)實(shí)時(shí)直觀地呈現(xiàn)出來，該模塊選用LCD1602顯示器作為設(shè)計(jì)的顯示端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。

1.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

該模塊所選的主控芯片STM32F103ZET6本身自帶3 個(gè)12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且每個(gè)轉(zhuǎn)換器包含有21 個(gè)外部通道[16]，在數(shù)據(jù)采集和處理方面能夠滿足《GB/T19862-2016 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備通用要求》的需求。故設(shè)計(jì)時(shí)不再外設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換電路，選用STM32自身A/D 功能，實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能?？紤]到在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，可以選用循環(huán)掃描的方式對(duì)ADC 的輸入進(jìn)行采樣，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，均需要從轉(zhuǎn)換器的不同通道逐個(gè)采樣。同時(shí)還要保證電壓和電流信號(hào)在同一相位被采集時(shí)保持同步。因此在進(jìn)行通道分配時(shí)，把電壓信號(hào)連接到ADC1 的通道CH0上，將電流采集信號(hào)連接到ADC1通道CHl上，這樣就能夠確保在某一項(xiàng)電壓采樣結(jié)束后立即對(duì)該相電流采樣，從而保證產(chǎn)生的相位誤差足夠小，并忽略不計(jì)。

1.6 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電源保護(hù)電路主要是為了保護(hù)STM32 供電端，設(shè)定的保護(hù)值是1 A，即當(dāng)系統(tǒng)電源出現(xiàn)短路，電流值達(dá)到1 A 時(shí)，MT9700 截止輸出，使輸出電壓為零，從而有效地防止系統(tǒng)短路對(duì)后續(xù)設(shè)備造成沖擊。另外，還設(shè)計(jì)了主電路檢測(cè)保護(hù)電路部分，主要用來檢測(cè)主電路的電流是否超出設(shè)定值，如果主電路電流正常，系統(tǒng)正常工作，否則，經(jīng)過該檢測(cè)保護(hù)電路，將非正常量傳輸?shù)紺PU，由CPU 發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，以提示工作人員[17]。主電路保護(hù)電路具體接線原理如圖3 所示。

圖3 主電路保護(hù)電路

1.7 通信電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是串行通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集硬件和向顯示電路傳輸數(shù)據(jù)。STM32 將檢測(cè)電路得到的電壓、電流信號(hào)處理后，一方面可以直接發(fā)送給顯示電路進(jìn)行顯示，另一方面可以通過串行通信的方式傳給相應(yīng)的上位機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和存儲(chǔ)電網(wǎng)用戶的電壓、電流情況。STM32 自身含有串口接口，均衡考慮PGIO 口的使用情況，該模塊采用STM32 自身串口作為串口通信，并選定PC10 和PC11作為串口通信的端口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)、中斷程序設(shè)計(jì)以及顯示程序設(shè)計(jì)四部分。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序運(yùn)行流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)運(yùn)行的大致流程：接入5 V 電源，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電，單片機(jī)完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O 口、定時(shí)器及串口的初始化工作，隨后信號(hào)采集模塊開始進(jìn)行電力參數(shù)信號(hào)的采集工作，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)核心控制器將計(jì)算出的電力參數(shù)信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至顯示器模塊，同時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)電流值是否大于5 A，一旦超過系統(tǒng)允許的最大電流值，繼電器斷開，并切斷電路，系統(tǒng)停止工作。

圖4 系統(tǒng)主程序運(yùn)行流程圖

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖5 所示。設(shè)備上電后，STM32 開始對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊初始化，對(duì)端口進(jìn)行使能處理，設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換工作方式，校準(zhǔn)結(jié)束之后，開始對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換完成后，程序結(jié)束。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖

2.3 中斷保護(hù)程序設(shè)計(jì)

中斷保護(hù)程序流程圖如圖6 所示。設(shè)備在接入交流電后，檢測(cè)模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，開始實(shí)時(shí)采集電壓值，接入負(fù)載之后，開始實(shí)時(shí)采集電流值，當(dāng)檢測(cè)模塊檢測(cè)到電流值大于5 A 時(shí)，中斷保護(hù)程序啟動(dòng)，繼電器斷開并切斷電路，信號(hào)指示燈熄滅，檢測(cè)模塊停止工作，程序結(jié)束。

圖6 中斷保護(hù)程序流程圖

2.4 顯示程序設(shè)計(jì)

顯示器的顯示內(nèi)容包括系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到的電壓值、電流值、功率值以及用電量。顯示程序流程圖如圖7 所示。顯示器模塊運(yùn)行時(shí)，為保證文本的正常顯示，應(yīng)首先對(duì)顯示器進(jìn)行初始化設(shè)置，顯示器顯示實(shí)時(shí)電力參數(shù)信號(hào)，程序結(jié)束。

圖7 顯示程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

在完成系統(tǒng)各項(xiàng)功能的調(diào)試工作之后，開始對(duì)實(shí)物進(jìn)行上電測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)系統(tǒng)接入5 V 直流電源，并完成上電工作，STM32 核心板指示燈亮起，檢測(cè)模塊電源指示燈亮起，顯示器屏幕點(diǎn)亮，并且所有顯示參數(shù)皆為0；隨后接入220 V 交流電，此時(shí)系統(tǒng)開始信號(hào)采集工作，顯示器實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前實(shí)際電壓值，當(dāng)系統(tǒng)接入負(fù)載后顯示器開始顯示當(dāng)前電流值、功率值以及負(fù)載所消耗的用電量；若系統(tǒng)檢測(cè)到電流值大于5 A 時(shí)，繼電器自動(dòng)斷開，并切斷電路，同時(shí)繼電器信號(hào)指示燈滅，檢測(cè)模塊隨即停止工作；若檢測(cè)電流小于5 A，則系統(tǒng)可以一直正常工作，可以通過手動(dòng)方式切斷電源，使系統(tǒng)停止工作。系統(tǒng)正常運(yùn)行情況如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)正常運(yùn)行情況圖

4 結(jié)論

該文從信號(hào)采集卡當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展情況出發(fā)，設(shè)計(jì)出一種基于STM32 的信號(hào)采集卡。通過對(duì)電壓互感器和電流互感器的選型以及整流電路的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于交流電信號(hào)的采集，最終完成了對(duì)電力參數(shù)中電壓、電流、功率、用電量等信號(hào)的采集。信號(hào)采集卡在接入交流電之后，可以實(shí)現(xiàn)將檢測(cè)并計(jì)算出的電壓、電流、功率及用電量通過顯示模塊實(shí)時(shí)顯示出來，最后經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。由于所選用的單片機(jī)性能強(qiáng)大，使其可靠性得到保障的同時(shí)具有易操作性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。