基于FPGA的高精度电流实时监测系统设计

杨鸥宁 ，岳凤英 ，岳 妮

（1.中北大学 计算机与控制学院，太原 030051；2.内蒙古蒙东能源鄂温克电厂，呼伦贝尔 021000）

电流检测技术是检测技术科学的一个重要分支，它在工程领域、科学实验、产品开发、质量控制等方面有着广泛的应用，在现代工业生产及科学研究中的地位日益突出。在对传感器批量测试过程中，需要对每个传感器都单独供电，并测量其工作电流及输出信号，这是建立在大量仪器仪表配合测量基础上才能够实现的，可以想象，测试现场的繁杂冗余给测试人员带来了极大不便。因此，本文设计出了一种基于MAX9918的高精度传感器电流实时监测系统。系统的可靠性已通过大量实验验证，并已在实际的应用中发挥了重要作用。

1 系统总体设计

该系统采用笼屉式结构设计，分为传感器参数采集卡、采编控制传输卡、电源卡。主要完成对传感器+15 V与-15 V各18路供电电流以及18路传感器输出信号的采集，并对传感器状态数据实时编码。它主要包括电流监测接口电路、采集电路、中心逻辑控制电路及上位机接口电路等。系统结构框图如图1所示。传感器工作电流为缓变信号，传感器输出信号为速变信号，为了有效精确地监测各种信号，由FPGA内部逻辑实现3个16∶1高速模拟开关不同输出通道的选通频率。对±15 V电流信号，通过测流转换电路将电流信号转换放大为电压信号后，与18路传感器信号一同经过信号调理电路，由高速模拟开关切换到需要采样的通道后，送入AD转换器进行AD转换。然后按照固定帧结构编帧依次循环放入在FPGA内部开辟好的ping/pong缓存，由PCI接口上传至上位机，上位机配套软件实时显示各路电流和信号量。

图1 系统结构Fig.1 System structure diagram

2 测流转换模块设计

电流检测一般有2种实现方法：一种是互感检测法，一般用在高电压交流场合；另一种是电阻检测法，一般用在低压小电流场合[1]。串联电阻法是精度最高的一种检测方法[2]，根据电阻的位置又分为高边电流检测和低边电流检测2种。将电阻串联在负载回路中，利用电流流过电阻产生的电压计算出电流值。对于工作在±15 V下的传感器来说，工作电流只有0～80 mA，采用第二种方法完全能满足测量对象要求。测流转换电路将±15 V供电电流转换为可测范围内的电压信号。由于低边电流检测可能影响负载基准，且不能检测短路电流。系统采用在电流回路中串联一个小测流电阻的高边电流检测方法。高边电流检测将测流电阻放置在电源与负载之间，不仅消除了低边检测中出现的地线干扰，而且能够监测供电电源与系统地的短路故障。

2.1 测流转换电路设计

测流转换电路设计中采用MAXIM公司的MAX9918，该芯片是单电源、高精度检流放大器，共模输入电压范围为-20 V～+75 V，完全满足传感器±15 V工作电压范围，+15 V、-15 V测流转换电路分别如图2、图3所示。

图2 +15 V测流转换电路Fig.2 +15 V converter circuit diagram

图3 -15 V测流转换电路Fig.3 -15 V converter circuit diagram

测流电阻R268串联在电源与负载之间，MAX9918通过外部电阻分压网络调节增益，增益由式（1）[3]得出。当MAX9918工作在正向电压范围时，需要将REFIN引脚接地，输入电压VSENSE与输出电压VOUT成线性关系，如式（2）所示。若工作在双向电压范围则需要将REFIN引脚外接参考电压。此时输入电压与VOUT-VREFIN成线性关系，如式（3）所示。

系统增益调节电阻分别选用89 k和1 k，增益G=90。前端测流电阻RSENSE选用500 mΩ，MAX9918满量程输入电压范围为0～50 mV，所以检测电流范围为0～100 mA，输出电压VOUT范围为0～4.5 V。对于-15V共模电压，满量程电压输入范围为-25mV～25 mV，检测电流范围为-50 mA～50 mA，VOUT-VREFIN范围为-2.25 V～2.25 V，输出电压VOUT范围为0.25 V～4.25 V，经过分压网络后完全满足AD转换器输入电压范围。

2.2 测流转换电路优化设计

为提高监测电流的精度，高边电流检测电路应有低的输入偏置电流，使输入偏置电流为被检测电流的1%或更小，还要求其具有低的失调电压和高的共模抑制比。同时测流电阻RSENSE的选择对电流检测精度有很大影响，测流电阻不仅需要精度高，而且还应综合以下因素选取：

1）大的测流电阻对小电流更敏感，因为大测流电阻会产生更大的VSENSE，测流电阻上的电压VSENSE越大，运放的失调电压和输入偏置电流的影响就相对越小。

2）大的测流电阻会引起电源电压以IR的数值降低。另外，大的测流电阻VSENSE和较大的电流会引起功耗I2R增大，因此，测流电阻应尽量具有低的温度系数。

3）如果被测电流ISENSE中包含大量的高频成分，那么应该选用电感量很小的测流电阻，可以选择电感小的金属膜电阻。

4）应该使MAX9918尽量工作在接近线性关系最好的50 mV的满量程区，这需要根据系统实际被测电流ISENSE选择合适的测流电阻VSENSE来满足。

综合以上考虑，该系统选用精度为1%、温度系数低至10 ppm、阻值为500 mΩ的金属膜电阻器来提高检流精度。在室温25℃，+15 V共模电压下，对该系统测流转换电路通过改变不同负载值测量取平均值得出各种参数数据如表1所示。由表1可知，测流转换电路满足90倍增益输出，在接近满量程测量范围时线性度更高。在长时间连续测量并未出现因功耗大引起测流电阻温度漂移现象。相同试验条件下，经测量，系统工作在-15 V共模电压环境下试验数据与此吻合。

表1 +15 V共模电压下测流转换试验数据Tab.1 Test data of the+15 V common mode voltage

3 采集模块设计

系统的数据转换采集模块如图4所示，FPGA通过地址线A3～A0选通控制模拟开关ADG706切换，通过位选信号byte和转换信号convst控制AD7 621进行数据转换输出。

图4 数据转换采集模块Fig.4 Block diagram of data conversion

3.1 AD采样电路设计

AD转换器选用AD7621，AD7621分辨率为16位，分为 Warp、Normal、Impulse 3 种工作方式，采样率分别高达 3 Mb/s、2 Mb/s、1.25 Mb/s；输入电压范围为0～2.048 V，因此要对输入信号进行分压，分压网络如图5所示。

图5 AD分压网络Fig.5 AD Partial pressure network graph

电压跟随模块选用AD8031，由于运放具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，所以能够起到隔离和缓冲的作用[4]。使用ISim Simulator软件对AD转换模块进行仿真，仿真波形如图6所示。

图6 AD转换器控制信号仿真波形Fig.6 AD converter control signal simulation waveform

impl信号和warp信号低电平用来配置AD7621工作在Warp模式。convst低电平时开始转换，最小转换时间为15 ns～70 ns，该系统convst信号低电平时间为360 ns，byte信号控制高低8位数据输出。由仿真图看出，AD模块完全满足工作时序要求。

3.2 高精度采样算法的实现

在硬件电路合理设计的前提下，为了提高电流监测的精度，需要有效提高系统采集精度，为此系统采用过采样平均算法。这一技术只在ADC噪声近似为白噪声的情况下有效，采集装置的噪声近似接近白噪声。每增加一位分辨率或每减小6 dB的噪声，需要以4倍的采样频率进行过采样[5]。为了尽可能好地重现信号，系统采用过采样32倍算法，并将过采样数据平均，相当于ADC测量数据通过了低通滤波器，减弱了信号的波动噪声，改善信噪比，明显提高了采集精度。为验证采样32倍算法对采集精度的影响，对第一路通道施加90 mA的ISENSE电流，对应VOUT为4.05 V（采样分层值为52428）进行采集，将原始数据用MATLAB描点绘制，结果如图7所示。横轴为采集点数量，纵轴为采集电压分层值，上层波形为不采用任何算法的原始数据绘制的波形，电压分层范围值为200（52320～52520），下层波形为采用32倍过采样算法求平均的数据绘制的波形，电压分层范围值为 10（52422～52432）。对比发现，采集装置采用过采样32倍算法，并将过采样数据平均，明显提高了采集精度。

图7 过采样算法波形Fig.7 Over sampling algorithm

4 系统功能测试

在室温25℃环境下，对±15 V供电的18个传感器进行实时监测，监测精度高达1‰。上位机软件实时监测数据如图8所示。

图8 上位机实时监测数据Fig.8 PC real-time monitoring data

5 结语

本文介绍了一种基于FPGA的高精度电流实时监测系统。系统稳定可靠、实时性强、体积小、功耗低。通用性高，可监测量程范围为0～100 mA的多种传感器设备；扩展性强，可以分别通过修改测流转换电路和采集通道数量扩展为多量程、更多路的实时监测系统。

[1]江力，吴晓波，严晓浪.宽输入共模电压范围电流检测放大器的研究与设计[J].半导体学报，2007，28（8）：1289-1294.

[2]张继东.一种全新的直流电流检测方式[J].仪表技术与传感器，2010（9）：81-83.

[3]MAX9918-MAX9920[EB/OL].http：//www.maxim-ic.com，2011.

[4]孟青，苏承启，任勇峰，等.基于AD8031多通道采编器的设计与实现[J].计算机测量与控制，2012，20（11）：3057-3059.

[5]李国.基于过采样技术提高ADC分辨率的研究与实现[J].计算机工程，2005，31（S1）：244-248.