网络安全系统的采样电路设计与研究

0 引言

网络安全系统作为数据与信息安全的保障，其硬件模块需要进行特别的防护和管理监控，以保证各个设备的安全性与稳定性，其中，设计具有保护功能的电路来提升整个网络安全功能是目前应用最多的方法之一。通过对系统模块的电流、电压和温度等参数进行采样，能够直接反应出系统各个功能的可靠性。随着计算机仿真技术的发展，电路设计可行性的模拟验证逐渐得到广泛的重视与应用，降低了设计成本。

文中针对网络安全系统中硬件的监测特点，设计了采样电路的总体布局及外围电路，运用Mu1tisim验证电压及电流信号的特性值。该设计方案对于缩减研发成本及研发周期有着重要的意义。

1 采样电路设计

1.1 电压采样电路

在电压信号采集中，文中采用端电压方式进行采集，能够满足单体模块的信号采集要求，其电压采集电路如图1所示。

图1 电压采集电路

图1中，R1和R4取1KΩ，R2和R3是可变电阻，是为了方便调节不同的输出电压，其阻值范围为 0-20KΩ，实际工作时应该使R1=R2=1KΩ，但输入到芯片端口的电压不能超过5V，因此，文中在输出端加了一个5V的稳压管，用来保护芯片的A/D端口。电路中的运算放大器的型号为LM358，其内部包括有两个高增益的，独立的双运算放大器。C1，C2和C3的值为10uF，C4为0.1uF。电压采样值送入控制模块STM32F103VCT6单片机的AD口，采样电路板如图2所示。

1.2 电流采样电路

电流是估算设备是额定工作的重要参数，也是硬件管理系统中过流保护的一个重要参考因素，因此，对于电流数据，需要保证其采样的精度。

霍尔电流传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行电流测量的一种传感器。霍尔效应传感器主要包括原边和副边等主要结构。设计中可以采用宇波模块CHB-100SF霍尔电流传感器来对电流进行采样。CHB-100SF霍尔电流传感器额定电流100A，输出电流100mA。霍尔电流传感器满足的主要关系式为：

Is×Ns= Ip×NP

式中：

Ip——原边电流；

Is——副边电流；

NP——原边线圈匝数；

Ns——副边线圈匝数。

为保证测量精度，将电流传感器额定测量值设置为被测信号的1～1.5倍。

在采样时，将首先将电流进行IV转换，用一个分流电路将传感器输出的电压进行分流，使得进入IV转换的电流最大值为25mA。在转换器加一偏移电压，偏移电压将电压的变化范围从-2.5V～2.5V变为0V～5V，使之符合单片机AD口输入需求。采样RM采用精密电阻，在实际应用中RM=32Ω/2W，其采集电路如图2所示，电流采样值送入控制模块 STM32F103VCT6单片机的AD口。

图2 电流采集电路

1.3 温度采样电路

在网络安全系统中，诸多模块对自身的温度有着较高的要求，比如供电模块，高温工作条件下的放电容量要高于低温时的放电容量，但工作环境温度持续升高会使供电模块内部发生副反应而产生大量气体，对设备产生严重的损害，会明显降低各个模块的使用寿命。一般地，控制温度范围为-10℃～45℃为宜。

温度的数据采集采用DS18B20，其采用独特的一线总线方式传输信息，从而使得在多个温度检测中可最大程度简化系统布线。把18B20的DQ口全部挂接到主控制机的一个带有4.7K上拉电阻的IO口上，每个18B20的电源接3.3V，如图3所示。温度采样值送入控制模块STM32F103VCT6单片机的AD口。

图3 18B20温度检测电路

2 Multisim数值模拟与验证

2.1 电压采集电路仿真

为测试所设计的电压采集电路是否能够完成预定的功能，借助Mu1tisim对电压采集电路进行仿真分析。通过在Mu1tisim中对simu1ation选项的控制，实现输出电压检测的模拟。仿真中设置如下：“仪器”选项中选取“万用表”；输出端与万用表的“+”相连；万用表的“-”接地，选择直流电压功能；在电压输入端设定端电压为2.5V。点击“运行”按钮，双击万用表将其打开，观察万用表示值如图4所示。

由图4可以看出，在误差影响下，电压计量值为2.506V，与输入值2.5V是一致的。停止仿真后，采用同样的方法将电源电压调整为 3.7V，点击“运行”按钮，电压表示值为 3.706V，与输入值3.7V一致，由此可见，设计采样电路符合要求。

图4 2.5V仿真电路与电压表示值

2.2 电流采样电路仿真

由于电流信号最终要转化为电压信号，因此，在Mu1tisim中对输出电压进行检测，其具体设置如下：“仪器”中选择“万用表”；输出端与万用表的“+”相连；万用表的“-”接地，选择直流电压功能；在电压输入端设定端电压为2.5V；给LM741运放供电，供电方式为±12V。

设置好电路中各项参数后点击“运行”按钮，双击万用表，如图5所示，得出输出电压值2.501V，与设定值一致。

图5 电流采样仿真

将原偏移电压进行接地处理，再次仿真运行观察输出电压值，如图6所示。通过仿真结果可知，偏移电压能够有效的对电流采样电路的输出电压值进行有效的电压偏移，使输出电压值在单片机AD口的电压输入范围之内。因此，本方案设计的电流采集电路是可行的。

图6 偏移电压的去除仿真

2.3 实验验证

为了验证设计采样电路的准确性，文中制备了电流检测电路样板，如图7所示。通过测试对比，得出电流的实际测量值及误差如表1所示。由表1可以看出，所设计的电流采样电路在进行实际测量时，随着测量电流的增大，误差不断增大。但是电流测量误差在可接受范围之内。

图7 电流检测电路

表1 实际电流值和测量值及误差

4 结论

本文设计了网络安全系统的采样电路，重点对电压采集电路、电流采集电路和温度采集方式进行了研究，通过Mu1tisim对电压、电流采样电路的仿真，验证出在考虑误差影响的前提下，该设计方案是可行性的，对于提升网络安全系统的模块功能和降低设计成本均有着重要的意义。