網絡安全系統的采樣電路設計與研究

0 引言

網絡安全系統作為數據與信息安全的保障，其硬件模塊需要進行特別的防護和管理監控，以保證各個設備的安全性與穩定性，其中，設計具有保護功能的電路來提升整個網絡安全功能是目前應用最多的方法之一。通過對系統模塊的電流、電壓和溫度等參數進行采樣，能夠直接反應出系統各個功能的可靠性。隨著計算機仿真技術的發展，電路設計可行性的模擬驗證逐漸得到廣泛的重視與應用，降低了設計成本。

文中針對網絡安全系統中硬件的監測特點，設計了采樣電路的總體布局及外圍電路，運用Mu1tisim驗證電壓及電流信號的特性值。該設計方案對于縮減研發成本及研發周期有著重要的意義。

1 采樣電路設計

1.1 電壓采樣電路

在電壓信號采集中，文中采用端電壓方式進行采集，能夠滿足單體模塊的信號采集要求，其電壓采集電路如圖1所示。

圖1 電壓采集電路

圖1中，R1和R4取1K?，R2和R3是可變電阻，是為了方便調節不同的輸出電壓，其阻值范圍為 0-20K?，實際工作時應該使R1=R2=1K?，但輸入到芯片端口的電壓不能超過5V，因此，文中在輸出端加了一個5V的穩壓管，用來保護芯片的A/D端口。電路中的運算放大器的型號為LM358，其內部包括有兩個高增益的，獨立的雙運算放大器。C1，C2和C3的值為10uF，C4為0.1uF。電壓采樣值送入控制模塊STM32F103VCT6單片機的AD口，采樣電路板如圖2所示。

1.2 電流采樣電路

電流是估算設備是額定工作的重要參數，也是硬件管理系統中過流保護的一個重要參考因素，因此，對于電流數據，需要保證其采樣的精度。

霍爾電流傳感器是利用半導體材料的霍爾效應進行電流測量的一種傳感器。霍爾效應傳感器主要包括原邊和副邊等主要結構。設計中可以采用宇波模塊CHB-100SF霍爾電流傳感器來對電流進行采樣。CHB-100SF霍爾電流傳感器額定電流100A，輸出電流100mA。霍爾電流傳感器滿足的主要關系式為：

Is×Ns= Ip×NP

式中：

Ip——原邊電流；

Is——副邊電流；

NP——原邊線圈匝數；

Ns——副邊線圈匝數。

為保證測量精度，將電流傳感器額定測量值設置為被測信號的1～1.5倍。

在采樣時，將首先將電流進行IV轉換，用一個分流電路將傳感器輸出的電壓進行分流，使得進入IV轉換的電流最大值為25mA。在轉換器加一偏移電壓，偏移電壓將電壓的變化范圍從-2.5V～2.5V變為0V～5V，使之符合單片機AD口輸入需求。采樣RM采用精密電阻，在實際應用中RM=32?/2W，其采集電路如圖2所示，電流采樣值送入控制模塊 STM32F103VCT6單片機的AD口。

圖2 電流采集電路

1.3 溫度采樣電路

在網絡安全系統中，諸多模塊對自身的溫度有著較高的要求，比如供電模塊，高溫工作條件下的放電容量要高于低溫時的放電容量，但工作環境溫度持續升高會使供電模塊內部發生副反應而產生大量氣體，對設備產生嚴重的損害，會明顯降低各個模塊的使用壽命。一般地，控制溫度范圍為-10℃～45℃為宜。

溫度的數據采集采用DS18B20，其采用獨特的一線總線方式傳輸信息，從而使得在多個溫度檢測中可最大程度簡化系統布線。把18B20的DQ口全部掛接到主控制機的一個帶有4.7K上拉電阻的IO口上，每個18B20的電源接3.3V，如圖3所示。溫度采樣值送入控制模塊STM32F103VCT6單片機的AD口。

圖3 18B20溫度檢測電路

2 Multisim數值模擬與驗證

2.1 電壓采集電路仿真

為測試所設計的電壓采集電路是否能夠完成預定的功能，借助Mu1tisim對電壓采集電路進行仿真分析。通過在Mu1tisim中對simu1ation選項的控制，實現輸出電壓檢測的模擬。仿真中設置如下：“儀器”選項中選取“萬用表”；輸出端與萬用表的“+”相連；萬用表的“-”接地，選擇直流電壓功能；在電壓輸入端設定端電壓為2.5V。點擊“運行”按鈕，雙擊萬用表將其打開，觀察萬用表示值如圖4所示。

由圖4可以看出，在誤差影響下，電壓計量值為2.506V，與輸入值2.5V是一致的。停止仿真后，采用同樣的方法將電源電壓調整為 3.7V，點擊“運行”按鈕，電壓表示值為 3.706V，與輸入值3.7V一致，由此可見，設計采樣電路符合要求。

圖4 2.5V仿真電路與電壓表示值

2.2 電流采樣電路仿真

由于電流信號最終要轉化為電壓信號，因此，在Mu1tisim中對輸出電壓進行檢測，其具體設置如下：“儀器”中選擇“萬用表”；輸出端與萬用表的“+”相連；萬用表的“-”接地，選擇直流電壓功能；在電壓輸入端設定端電壓為2.5V；給LM741運放供電，供電方式為±12V。

設置好電路中各項參數后點擊“運行”按鈕，雙擊萬用表，如圖5所示，得出輸出電壓值2.501V，與設定值一致。

圖5 電流采樣仿真

將原偏移電壓進行接地處理，再次仿真運行觀察輸出電壓值，如圖6所示。通過仿真結果可知，偏移電壓能夠有效的對電流采樣電路的輸出電壓值進行有效的電壓偏移，使輸出電壓值在單片機AD口的電壓輸入范圍之內。因此，本方案設計的電流采集電路是可行的。

圖6 偏移電壓的去除仿真

2.3 實驗驗證

為了驗證設計采樣電路的準確性，文中制備了電流檢測電路樣板，如圖7所示。通過測試對比，得出電流的實際測量值及誤差如表1所示。由表1可以看出，所設計的電流采樣電路在進行實際測量時，隨著測量電流的增大，誤差不斷增大。但是電流測量誤差在可接受范圍之內。

圖7 電流檢測電路

表1 實際電流值和測量值及誤差

4 結論

本文設計了網絡安全系統的采樣電路，重點對電壓采集電路、電流采集電路和溫度采集方式進行了研究，通過Mu1tisim對電壓、電流采樣電路的仿真，驗證出在考慮誤差影響的前提下，該設計方案是可行性的，對于提升網絡安全系統的模塊功能和降低設計成本均有著重要的意義。