基于STM32的电流小信号采集系统设计与实现

吴旷（通讯作者），周虎成

（1.周口师范学院机械与电气工程学院，河南周口，466001；2.周口师范学院物理与电信工程学院，河南周口，466001）

0 引言

在现代工业现场，较短距离下的信号传送通常使用集成运放调理后以电压的形式完成传送，而为了确保安全，较长距离的传送要求是广泛存在的，此时采用电压信号进行传送将会面临以下三个问题：第一，电压信号极易受到传输线噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降，影响信号采集精度；第三，在工业现场难以满足放大器的工作电压要求[1]。故此在工业现场，为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。

基于此需求本文提出了一种高线性度的4～20mA的电流采集电路，通过STM32控制器实现信号调零，故障报警，以及采集信息显示等功能。

1 系统整体设计

本系统主要以高线性度的电流采集模块，STM32最小系统，HMI模块，电源模块组成。通过电流采集模块将4～20mA电流信号变换为0～3.3V电压信号传送给STM32的片上ADC[2]，同时将STM32的片上DAC输出连接至电流采集模块进行调零[3]，由STM32将采集到的信号通过UART接口传输至HMI模块显示，电源模块将交流220V处理为系统所需的直流24V、3.3V及±5V电压[4]。本系统的框架如图1所示。

图1 硬件系统框架

2 系统硬件设计

2.1 主控系统设计

主控系统是首要核心，主控芯片选择STMicroelectr onics公司生产的STM32F303RET6，该芯片是带DSP和FPU的主流混合信号ARM Cortex-M4 MCU，最大时钟频率72MHz，具有512 KB Flash和80KB SRAM的集成存储器，片内集成4个12位高速ADC及1个2路DAC[5]。该系列芯片具备完善的片内时钟源，故其最小系统主要由芯片供电及复位电路部分。在此基础上将芯片的片上ADC与DAC分别电流采集模块相连，引出必要的IO资源及通讯接口即完成了主控系统的硬件设计工作。

2.2 电流采集模块电路设计

电流采集模块是本系统的第二核心，电流信号的采集、调理等工作均由本模块实现。具体点路上来说，采用国内润石科技生产的RS8552XTDE8精密运算放大器为主要器件，辅以0.05%精度的高精密电阻搭建多级串联的差分放大电路实现4～20mA电流小信号到0～3.3V电压信号的转换。运放采用±5V供电，其余运算电路结构具体电路见图2。

图2 信号采集电路

其中U1主要完成电流信号的接入并进行初级的放大处理，电流的采样电阻为0.05%精度的220Ω电阻，理论上，电流在4～20mA变化时采样电阻两端的电压在869mV～4.34V之间，此电压信号接入运放U1的输入端组成差分放大电路，放大倍数理论值A=R8/R3，大小约为0.68，计算可得初步处理后输入ADC_1的电压信号为590mV～2.95V之间，此处最大值略小于ADC_1的最大输入电压3.3V，符合设计要求。

电路中U3的主要作用是调零，其电路结构为典型的电压跟随器，输入端接MCU的DAC输出，经计算DAC输出电压大小在590mV左右，输出端与U1的输出端组成差分信号输入U2的输入端。U2采用同U1一致的电路结构，其放大倍数同样为0.68倍，调零后输出端电压范围在0～1.6V，此信号作为同相放大器U24的输入，U4的放大倍数设置为2，可得输入ADC_2的信号范围为0～3.2V。

经过以上变换我们成功将4～20mA的电流小信号转换为0～3.2V的电压信号，较第一级590mV～2.95V的直接转换结果扩展了840mV的采样范围，充分利用了ADC资源，明显提高了电流信号采集的分辨率。

同时，ADC1接口处可检测传感器传输的原始电流采样信号，对传感器的工作状态作出故障诊断，即若ADC1处的采样电压低于590mV或高于2.95V时可判断为传感器故障，为系统整体的可靠性作出进一步的保障。

2.3 电源模块设计

电源模块是整个系统的能量源，主要功能是将交流220V，50Hz的市电转换为可对外供给传感器使用的24V直流电，处理给主控芯片供电的3.3V电压，以及给集成运放供电的±5V双路电压。具体处理上，选择广州高雅信息科技有限公司生产的AP24N05-Zero模块输出24V，AP05N05-Zero输出5V，该模块具备输入电压范围宽、高可靠性、低功耗、安全隔离等优点，内置的EMI滤波组件，具备过载保护、短路保护和过热保护措施，其中Zero系列更具备低纹波噪声的特点，尤其适用于敏感信号的采集系统中使用。采用AMS1117-3.3将AP05N05-Zero输出的5V电压转换为3.3V供给MCU，AMS1117系列电源芯片是广泛使用的线性低压差稳压器件[6]，其稳定的电源输出是主控芯片稳定工作的前提保障，AMS1117-3.3最大输出电流高达1A，在本系统中这样的带载能力远超出MCU工作所需，且鉴于该电源芯片的良好品质，系统的ADC及DAC参考电源也将采用此芯片共给，可节省出单独的参考电源系统，有效的降低系统成本。采用LM2776DBVR输出-5V电源，LM2776是一款常用的运算放大器电源，该芯片原理是是利用开关电容电荷泵原理实现电压转换，可将2.7～5.5V范围内的正电压反相，从而获得对应的等值负电压。采用三个低成本的电容即可提供最大200mA的输出电流，相比基于电感的转换器，解决了成本、尺寸和电磁干扰(EMI)多方面问题。

2.4 显示接口设计

人机交互模块采用广州大彩生产的组态屏，此类产品的特点是使用简单，内置丰富控件，开发快速。主控MCU与HMI模块间只需通过UART接口实现显示数据与触控信息的交互即可。整体效果上可以用最小的MCU资源和CPU占用实现较为美观和丰富的人机操作界面，实现较为理想的人机交互状态。该屏幕支持RS232电平和TTL电平两种通讯电平级别，在硬件设计中可省去电平转换芯片，由MCU直连完成信息传输，进一步节省成本。具体接口电路如图3所示。

图3 人机交互接口电路

3 系统软件设计

系统的软件工作主要有传感器调零、ADC数据处理和人机界面数据发送与接收组成。整体上，软件系统采用基于FreeRTOS的多任务并行运算结构，系统运行时主要有两部分组成，以RTOS的介入为标志分为任务调度器前过程与任务调度过程。任务调度前过程主要包含系统硬件资源的初始化，如系统时钟设置、GPIO复用与设置、外设资源如ADC、UART等的初始化过程。该过程仅在系统上电时运行一次，为系统的准备过程。任务调度器介入后主要运行以下几个任务：(1)传感器调零任务；(2)与HMI的数据收发任务；(3)ADC采集回数据的处理任务。任务间通过信号量进行同步工作。软件框架结构如图4所示。

图4 软件系统框架

3.1 传感器调零任务设计

调零子程序主要调用主控DAC资源，采用逐次升高输出电压并比较终端ADC数值结果的方法，实现电流信号为4mA时终端采集数值接近0V的状态，以此来充分利用终端ADC的3.3V量程，实现较高的信号采集分辨率。该任务为一次性运行任务，创建任务时设定该任务为较高优先级，该任务将在所有任务创建成功后最优先调用CPU资源进行计算，完成调零后该任务将启动“自杀”指令删除自身，为后续的测量与数据处理工作让出CPU，并节约调度器任务切换数量，减少任务切换总体时间，提高系统效率。

3.2 ADC采集与数据处理任务

ADC采集与数据处理任务是系统搜集数据的主要任务。在每次数据采样周期中ADC将连续的采样10次ADC转换结果，将多次采集结果的平均值作为当前周期的最终结果报送数据处理子程序，以此来实现较为准确的信息搜集。数据处理子程序主要进行数据的数字滤波，并将ADC采集来的数字量换算成对应的电压单位数据，字符化处理后报送HMI任务，由HMI任务将数据发送至人机接口显示。

3.3 HMI界面设计

HMI界面是人机交互的主要部分，系统采用组态屏设计了系统的操作按钮，实现了信息的输入部分；采用进度样式实现实时的采样值显示，电压值显示，电流值显示及传感器故障信息报警等系统主要信息的输出。其界面效果如图5所示。

图5 人机交互界面

4 测试

测试环节采用实验室可编程电源输出880mV～4.4V电压信号模拟采样电阻上的电压值，在交互屏幕上显示系统采集信息。

系统上电后输入电压880mV时，ADC1理论值为598.4mV，调零后ADC2的采样值理论上为0mV，具体仿真测试如图6所示。

图6 测试环节1

调整输入电压为2.2V，模拟电流10mA时的系统响应，此时ADC1理论值应为1496mV，系统采样值值为1500mV；ADC2的理论值应为1221 mV，系统采样值为1230mV，仿真测试如图7所示。

调整输入电压为4.4V，模拟电流20mA时的系统响应，此时ADC1理论值应为2992mV，系统采样值值为2990mV；ADC2的理论值应为3255mV，系统采样值为3200mV，仿真测试如图8所示。

图8 测试环节3

调整输入电压为0.2V和5V，分别模拟电流不及4mA与超出20mA时的系统响应，此时显示采样电压均为0，传感器状态显示为“故障”，仿真测试如图9所示。

图9 测试环节4

5 结论

经验证，本文中所设计的电流小信号采集系统可以稳定的、准确的完成工业中常用的4～20mA电流信号采集工作，其中信号处理程序经简易修改后可将最终输出的电压值变换单位为对应不同传感器的检测量单位，如长度，温度，压力等信息，可广泛适用于现代工业生产中。