基于程控电阻的宽幅电流测量采集系统

河北省衡水第一中学 范睿哲

基于程控电阻的宽幅电流测量采集系统

河北省衡水第一中学 范睿哲

现有电流测量采集系统往往是事先估计待采集电流信号的幅值范围，计算出合适的采样电阻值，其电阻值是固定的。当电流信号的幅值范围改变时，又必须重新计算采样电阻值并将新的采样电阻更换代替原有采样电阻。更换电阻操作繁琐甚至有些测量系统无法进行采样电阻的更换。针对以上问题，本文设计了一套基于程控电阻的电流测量采集系统，该系统可以根据当前测量的电流信号幅值范围自动改变采样电阻值，从而满足宽幅电流采集的要求。该系统具有电路简洁，测量范围宽、精度高，自动化程度高，易于扩展等优点，可广泛应用于宽幅电流采集的各种场合。

电流采集；采样电阻；程控电阻；AD采集

1. 引言

电流信号是电路中的最基本的物理量之一，电流的测量采集是电路故障检测与分析的基本方法。电流的采集通常比较困难，电压的采集通常使用AD采集即可，因此可以使用采样电阻将电流信号转换为电压信号采集。ADC的最大电压一定，当电流较大时，需要较小的采样电阻以保证信号不溢出，当电流较小时，需要较大采样电阻以保证良好的测量精度，而一般测量系统都无法经常性的更换电阻。基于以上问题，本文提出了基于程控电阻的电流测量采集系统，该系统可以根据当前的电流大小自动改变采样电阻的大小，以满足更宽幅电流采集。

首先，电流转换为电压后可以使用ADC对电压信号进行采样，非常方便的得到对应的电压数值，其次，相应的电阻的大小也反映了对原始数据的放大倍数，在小电流系统中，对信号的放大将有效提高采集的精度。本文中使用STM32控制采集系统中接入的电阻的数量与数值，配置出合理的采用电阻值，通过内置ADC进行电压采集，归算电流信号，使用串口上送电脑端。

2. ADC采集系统原理

2.1 电流电压的转换

电压的采集测量通常使用AD采集，电流的测量一般为间接式测量，即通过电阻将电流转换为电压信号，再通过AD采集进行电流的测量。ADC所能采集的电压的幅值是一定的，电压值过大会出现超量程，采集信号失真；电压值过小则采集的精度差，增大系统的误差，误差太大将导致数据严重失真甚至错误。

2.2 ADC采集原理

AD转换就是把模拟电压转换成数字量。AD转换的流程包括采样，保持，量化，编码四个过程。

电压采样必须满足奈奎斯特采样定量，即采样频率大于等于电压信号最高频率的两倍。

保持即为了完成量化工作，量化是将模拟信号按照量化单位取整处理。

编码就是将已经量化的电压数值使用计算机语言进行存储。

AD采集的最小分辨率为：

AD采集的数值与所采电压的关系为：

其中Vref为参考电压，也为ADC所能采集的最大电压值，ADC为AD采集所得的数值。

逐次比较型模数转换的逻辑框图如图1所示。它的组成见下图，电压比较器，控制逻辑电路，时钟，数据寄存器，移位寄存器，数模转换器。数模转换器每一位的数字1都对应相应的模拟量权值，从高位开始，依次对每一位输入电压与数模转换输出进行对比，判定该位是1或是0，通过n次对比得到输出数字值。该模数转换器的优点是转换速度快，能耗低，成本低廉。

图1 ADC采集逻辑图

3. 系统硬件设计

硬件系统选用ST公司的STM32F103C8T6作为微处理器。该CPU内核为ARM32位的CortexTM，工作频率较高，具有48个引脚，4个16位定时器，内部集成12位的ADC，3个串口。单片机通过采集的ADC值计算需要接入的电阻值大小，通过IO口控制继电器来控制来选通接入的采样电阻。单片机系统与采样电路系统采用光耦进行光电隔离，防止强电系统与弱电系统的耦合，降低系统的不安全因素，提高系统的稳定性。采样电阻部分选用5个可任意可选通的电阻，通过不同的电阻值的组合一匹配不同的电流大小需要。

硬件的电路使用Altium Designer进行设计，并进行PCB电路板的生产与绘制。Altium Designer包含原理图PCB的设计，进行电路设计与PCB打印非常方便。Altium Designer入门简单，功能齐全，非常适合初简单电路设计。

单片机最小系统如图2所示，包括供电模块，供电指示灯，运行指示灯，RESET电路，启动引导电路，时钟电路。继电器控制电阻电路如图3所示，使用五个继电器控制五个电阻的接入。

图2 单片机最小系统图

图3 继电器与电阻接线图

4. 系统软件设计

软件部分使用C语言编写。C语言是一门面向过程的高级计算及编程语言。C语言入门简单，方便易学，功能强大，目前大多数的嵌入式系统都是使用C语言作为开发工具，具有良好的兼容性。

程序的流程图如图所示，系统初始化主要包括单片机系统初始设置，ADC初始化。通过AD采集判定是否越界，如果AD>95%，则通过控制继电器减小电阻的接入，如果AD<5%，则通过控制继电器增大电阻的接入。

图4 程序控制流程图

5. 结论

本文中提出了一套完整的宽幅电流采集处理的硬件与软件系统。该系统采集电流值为数字量，便于后期的分析处理，采集精度高且不受电流的幅值变化的影响。硬件系统由单片机为核心，增加了系统的灵活性和后期可修改性，减小了硬件系统的尺寸。本系统的测量量程范围自动调整，在不同的电流幅值下，能达到较高的测量精度。测量系统使用方便，适合工程实践应用。

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