基于STM32的自動功率測量設計

文/陳羽

對于電壓電流的測量，若被測信號是在小范圍內變化，要做到精確測量并不困難。但當被測信號在較大范圍內變化時，為了保證精度，常用的方式是切換量程。然而在很多時候，為了做到測量的實時性，不允許采用手動換擋形式，因此本文中采用了STM32單片機技術，根據被測信號的大小，自動地選擇合適的增益和衰減，實現了自動量程切換的電壓電流測量。

圖1：系統組成

1 系統總體設計方案

本文設計的功率測量直流電壓范圍為0～30V，能自動進行量程轉換。功率測量的原理方框圖如圖1所示,以STM32作為電路的核心部件,采用軟件編程和硬件相結合的形式。輸入信號經放大后，由單片機測出其大小，從而選擇合適的信號去控制擋位的選擇，實現量程自動切換功能,單片機根據A/D轉換的值和擋位情況算出當前的電壓和電流，在LCD屏上顯示出來。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片的選擇

本系統中采用32位的中容量STM32F103作為處理器。STM32F103是基于32位的Cortex—M3內核，工作頻率為72MHz。片內資源及輸入輸出接口豐富，帶有兩個12位的ADC、一個12位的雙通道DAC和11個16位的計時器。

2.2 電壓采樣電路

電壓采樣電路如圖2所示。采用同相比例放大電路(MCP602)，假設輸入為Ui，輸出為Uo，得到Uo=(1+R6/R5)Ui，可以得知放大倍數為3.4倍。

圖2：電壓采樣電路

圖3：電流采樣電路

圖4：主程序設計

圖5：AD轉換程序

圖6：量程切換程序

同相比例運算電路具有高輸入電阻，低輸出電阻的優點，但因為集成運放有共模輸入，所以為了提高運算精度，應當選用高共模抑制比的集成運放。從另一個角度看，在對電路進行誤差分析時，應特別注意共模信號的影響。

2.3 電流采樣電路

電流采樣電路如圖3所示。采樣電阻串聯在被測電路中，毫歐級電阻R7實現電流取樣，從而提高測量精度。電流采樣信號同樣采用同相比例放大，輸入輸出關系是Uo=(1+R10/R9)Ui，可以得知放大倍數為48倍。單片機測得運放輸出的電壓值，經過計算，就可得到被測信號的電流值。

2.4 A/D及量程轉換電路

STM32內部的12位ADC模塊，通過軟件設置，可以直接測量運放輸出的電壓值。繼電器與精密電阻網絡構成分壓檔位調整電路，原理框圖如圖2所示。0-30V的被測電源輸入后，當運放輸出電壓PA0超過3V時，PB5輸出高電平；運放輸出電壓沒超過3V時，PB5輸出低電平，從而控制輸出繼電器，如此實現自動切換量程。

3 系統軟件設計

量程自動切換功率測量的程序采用模塊化設計,用C語言編程。程序由主程序、量程切換子程序、LCD顯示子程序、A/D轉換子程序等組成。

3.1 主程序設計

上電后程序通過初始化,進入監控狀態,顯示待機界面等待測量。A/D啟動后,首先選擇最大量程對外部數據進行采樣計算并判斷,確定合適的量程。切換量程后再次采樣,記錄得到的數據,通過相應的計算,得到測量的電壓并顯示電壓電流值。系統流程圖如圖4所示。

3.2 AD轉換程序設計

STM32 內部自帶A/D 轉換功能，只需調用固件庫，即可實現 STM32的A/D轉換功能。此設計采用雙通道模式，用 ADC0采樣輸入電壓，用 ADC1采樣輸入電流。為提高 A/D 轉換的精確度，可對連續采樣的10 次 AD 轉換結果求取平均值。程序流程圖如圖5所示。

3.3 量程切換程序設計

將A/D測量得到的數據與設置的閾值進行比較,若超出閾值,則超出原量程的范圍,則進行升擋，直至升到合適的擋位，并根據此擋位的電路連接情況進行數據處理，得到相應的電壓電流值；若低于所設值，則進行降擋處理，直至降到合適的擋位，并進行數據處理，得到相應的電壓電流值。流程如圖6所示。

4 結論

借助STM32內部自帶的12 位逐次逼近型 A/D 轉換功能，完成了對電源的電流與電壓的測量，從而設計出了一款具有較高分辨率的功率測量裝置。相比于傳統的機械換擋測量，STM32通過閾值電壓的判斷，自動完成量程的切換，具有自動測量的效果。此外，此自動測量裝置具有響應速度快，性能穩定，在電子測量領域，尤其是對微電壓的精確測量方面，具有很好的實際應用價值。