一種多路電壓實時監測系統的設計與實現

祝 勛

（武漢軟件工程職業學院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

在電子應用領域，很多場合需要同時監測多路傳感器傳來的電壓信號。當電壓信號超過或者低于預設值時，要求系統能夠在第一時間快速做出反應。在某些場合，系統的反應速度越快，越能夠更早地根據實際情況進行調整或者動作。因此，快速反應的多路電壓實時監測系統對實際現場的應用有很大幫助。本文詳細介紹了一種多路電壓實時監測系統，可以廣泛應用于工業現場的亮度、溫度、壓力以及濕度等的監測，同時帶有多種通信端口，方便與上位機進行通信。

1 系統方案設計

整個電壓監測系統采用ARM架構的STM32F103作為主控芯片。STM32F103本身基于Cortex-M3內核，最高工作頻率72 MHz，內部存儲器包含有64 kB的SRAM和256 kB的閃存程序存儲器，具有SPI接口、I2C接口以及UART等多種接口［1］，同時自帶12位逐次逼近型AD轉換器。它的AD轉換通道多達16個，且各轉換通道的工作模式可以設定為單次、連續、掃描以及間斷4種模式。當時鐘為72 MHz時，完成一次AD轉換的時間僅僅需要1.17 μs，能夠滿足本系統的需求。整個硬件系統的結構圖如圖1所示。

圖1 多路電壓實時監測系統結構圖

多路電壓信號通過不同通道送到各自對應的電壓比較器，與各自的基準設定電壓進行比較。將各個電壓比較器的輸出送入一個多輸入與門，與門輸出端的信號可以作為外部終端的輸出信號提供給STM32F103。當某路電壓信號超出預設報警電壓時，該路的比較器輸出發生翻轉，與門的輸出向STM32F103發出中斷請求。此時，STM32F103啟動編碼器，使得編碼器將產生中斷的通道的二進制編碼提供給STM32F103。STM32F103收到中斷請求后，根據編碼器提供的二進制通道編碼對該通道的電壓進行采樣，并記錄該通道電壓超出設定值的數值、時刻以及次數等信息。

2 硬件電路設計

2.1 電壓比較器

電壓監測電路選用比較常見的LM358運放芯片，應用范圍十分廣泛，在變頻放大器、直流增益放大器以及一般常規運算放大電路中都十分常見。LM358內部集成有兩個獨立的、高增益以及內部頻率補償的運算放大器，主要特點包括直流電壓增益高、輸入電壓范圍寬、可以采用單電源或者雙電源工作、功耗小、單位增益頻帶寬以及輸出電壓擺幅大等。另外，LM358對階躍信號的響應時間可以達到微秒級，因此需使用LM358作為比較器監測外部電壓。它可以根據外部電壓的變化情況作出快速反應，大幅加快了系統的反應速度[2]。

在多路電壓信號中任選一路，設該路的基準電壓為2.5 V，并在該路對應的輸入電壓端加上一個1 000 Hz的周期性超限電壓（幅值為2.6 V）信號，而多路電壓信號的其余路的電壓保持一個未超限的直流電壓值（2 V）不變。將超限輸入電壓信號與多輸入與門電路的輸出波形相比較，比較波形如圖2所示。可見，輸入電壓超過限制電壓2.6 V的同時（即2.6 V方波的下降沿），與門的輸出端得到了一個5 V脈沖的下降沿。這兩個時刻的時間間隔主要取決于運放LM358的響應速度。集成運放LM358的手冊中可以查到，這個時間在10 μs以內。可以將與門輸出的下降沿作為電路中有某路電壓信號超限的時間信號送入STM32F103的外部中斷觸發端，從而使STM32F103啟動對應的中斷服務程序。

圖2 電壓比較器輸出波形圖

2.2 集成編碼器

集成編碼器采用的是8路優先編碼器74LS148。74LS148是8線-3線優先編碼器，主要功能為對8條數據線I0～I7進行3線二進制優先編碼，即對最高位數據線進行譯碼。在本系統中，使用它對8個通道的通道號進行二進制優先編碼。優先編碼器廣泛應用于多輸入控制系統，當有多個輸入同時發出編碼請求時，優先編碼器輸出的是發出請求的優先級別最高的輸入端的二進制編碼。74LS148是一個8-3線優先編碼器，本身具有8個信號輸入端，可以為8路通道的通道數生成對應的二進制編碼。如果通道數超過8路，可以用兩片74LS148進行級聯，構成一個16-4線優先編碼器[3]。

當多路電壓信號其中一路上的電壓信號超限時，STM32F103收到多路電壓比較器后面的多輸入與門輸出的外部中斷信號后向74LS148發出編碼命令。74LS148的多個輸入端與多路電壓信號后的比較器的輸出端相連，當74LS148收到編碼請求后，根據多個輸入端哪個引腳上有低電平狀態來判斷哪一路電壓信號輸入端出現了超限信號，然后將該通道的通道號進行二進制編碼提供給STM32F103，而STM32F103根據編碼器提供的二進制通道編碼進行后續操作處理。

3 系統軟件流程

傳統的多路電壓檢測系統一般采用順序采樣和隨機采樣兩種方式[4]。順序采樣指的是采用固定的順序（如按照通道號從小到大）依次對多路信號的每一路進行采樣。隨機采樣指的是每次隨機從多路信號中選擇一路進行采樣，依次執行，直至多路信號的每一路都被采樣后開始下一個循環。不論采用哪種采樣方式，都存在采樣時間間隔長和超限提醒滯后等缺點。

本系統的軟件設計分為主程序和外部中斷服務程序兩部分。由于整個系統的電壓超限采樣和記錄等工程都通過中斷服務程序完成，因此主程序只需要負責數據處理、存貯、顯示以及與上位機通信等功能。系統中斷服務程序流程如圖3所示。

圖3 中斷服務程序流程圖

4 結 論

本系統設計使用反應快速的運放作為比較器，實時監測多路電壓信號是否超限。當多路電壓信號中的任意一路上出現超限信號后，系統能夠在非常短的時間內做出快速反應，并能存儲記錄超限信號通道數、超限程度以及超限時間等信息。該電路設計簡單易用，應用場合廣泛。