基于STM32 的信號采集卡設計

劉萬兵，劉海軍，曹 勇，盧 超，董佳壯

（1.河南安彩高科股份有限公司，河南安陽 455000；2.安陽工學院，河南安陽 455000）

近幾年，經濟快速發展，技術也更新迭代[1-2]，我國作為電力消費第一大國，一直在不斷提高對電力行業的投入，各行各業對于電力的需求也在大幅地增加[3]。隨之而來的是對于電力系統的管理問題，整個電力系統環節眾多[4-5]，而電力參數是最能夠體現電力系統運行狀況的指標。由于電力系統的重要性[6]，從系統的實時性、精確性及可靠性方面對電力參數采集的性能都提出了很高的要求[7-8]。

隨著電力系統的不斷發展與完善，電力參數的采集也需要進行相應的升級迭代，需要與最新的信號采集技術相結合[9-10]。在對電力參數采集時，需要保證電力系統的穩定運行，能夠自動從電力系統中獲取電力參數[11-12]，并將其實時顯示出來，使其與相關設備運行維護部門配合，最終實現對電力系統的智能控制，同時由于電力設備具有一定的危險性，對設備操作的安全性也有一定的要求[13]。

在實際的生產生活過程中，交流電的應用最廣泛，因此交流電參數的采集意義重大[14]。該設計以此為出發點，為了使系統能夠滿足采集數據時的性能要求，選用了處理性能強大且功能穩定可靠的STM32 單片機作為核心控制器，通過對電壓互感器和電流互感器的選型，設計了檢測電路、顯示電路，并在實現的過程中，加入了過電流保護部分，利用STM32 自身的A/D 轉換功能，對信號檢測模塊所采集到的信息進行模數轉換，傳輸至顯示模塊將電力參數實時顯示出來，輔以繼電器作為設備的保護裝置，進而實現了數據的采集。

1 系統總體方案設計

1.1 系統組成

系統的設計思路是通過各硬件電路之間協調來實現，在硬件組成方面，系統主要分為單片機最小系統電路、電壓電流采集電路、繼電器控制保護電路、電力參數顯示模塊電路、指示燈電路、主電路保護電路等。在功能方面，系統主要分為電壓電流采集模塊、單片機內部模數轉換模塊、單片機核心控制器模塊、參數顯示模塊。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

1.2 單片機核心模塊設計

為了滿足設計所達到的性能，系統選擇ST 公司的STM32F103C8T6 單片機作為核心模塊的控制器，選用該單片機不僅僅考慮了設計的成本以及功耗，同時由于該單片機在功能方面的優越性，不僅滿足了系統的設計要求，還能夠提供額外的擴展功能，使系統具備了可升級換代的特性。

1.3 檢測模塊設計

在設計檢測模塊中加入了互感器，將高壓交流電信號轉換成較小的交流信號。STM32 單片機雖然具有模數轉換功能[15]，但是只能完成對直流信號的模數轉換，無法對交流信號進行模數轉換，所以在得到較小的交流信號之后，還要對其進行整流濾波處理，之后再將信號傳輸至單片機，以此來完成工作。故該設計選用TV1005-1M 電壓互感器和TA1005-1M 電流互感器作為檢測源頭，將系統的交流電壓和電流信號采集過來，再由整流電路進行整流之后，傳輸到STM32 的模數輸入端口進行模數轉換，具體采集和整流電路如圖2 所示。

圖2 檢測模塊原理圖

1.4 顯示模塊設計

檢測模塊采集完電力參數，由單片機對所采集到的信號進行換算得出實際值。為了能夠將系統采集到的電壓、電流、功率及用電量等電力參數實時直觀地呈現出來，該模塊選用LCD1602顯示器作為設計的顯示端，進行數據的顯示。

1.5 模數轉換模塊設計

該模塊所選的主控芯片STM32F103ZET6本身自帶3 個12 位的模數轉換器，并且每個轉換器包含有21 個外部通道[16]，在數據采集和處理方面能夠滿足《GB/T19862-2016 電能質量監測設備通用要求》的需求。故設計時不再外設A/D 轉換電路，選用STM32自身A/D 功能，實現采集信號的模數轉換功能。考慮到在對信號進行采樣時，可以選用循環掃描的方式對ADC 的輸入進行采樣，在每個采樣周期內，均需要從轉換器的不同通道逐個采樣。同時還要保證電壓和電流信號在同一相位被采集時保持同步。因此在進行通道分配時，把電壓信號連接到ADC1 的通道CH0上，將電流采集信號連接到ADC1通道CHl上，這樣就能夠確保在某一項電壓采樣結束后立即對該相電流采樣，從而保證產生的相位誤差足夠小，并忽略不計。

1.6 保護電路設計

電源保護電路主要是為了保護STM32 供電端，設定的保護值是1 A，即當系統電源出現短路，電流值達到1 A 時，MT9700 截止輸出，使輸出電壓為零，從而有效地防止系統短路對后續設備造成沖擊。另外，還設計了主電路檢測保護電路部分，主要用來檢測主電路的電流是否超出設定值，如果主電路電流正常，系統正常工作，否則，經過該檢測保護電路，將非正常量傳輸到CPU，由CPU 發出聲光報警信號，以提示工作人員[17]。主電路保護電路具體接線原理如圖3 所示。

圖3 主電路保護電路

1.7 通信電路設計

本設計采用的是串行通信來實現數據采集硬件和向顯示電路傳輸數據。STM32 將檢測電路得到的電壓、電流信號處理后，一方面可以直接發送給顯示電路進行顯示，另一方面可以通過串行通信的方式傳給相應的上位機系統，以實現實時監測、顯示和存儲電網用戶的電壓、電流情況。STM32 自身含有串口接口，均衡考慮PGIO 口的使用情況，該模塊采用STM32 自身串口作為串口通信，并選定PC10 和PC11作為串口通信的端口。

2 系統軟件設計

系統的軟件程序設計主要包括主程序設計、模數轉換程序設計、中斷程序設計以及顯示程序設計四部分。

2.1 主程序設計

主程序運行流程圖如圖4 所示。系統運行的大致流程：接入5 V 電源，對系統進行上電，單片機完成對系統時鐘、I/O 口、定時器及串口的初始化工作，隨后信號采集模塊開始進行電力參數信號的采集工作，并將采集到的數據傳輸至模數轉換模塊，單片機核心控制器將計算出的電力參數信號實時傳輸至顯示器模塊，同時系統檢測電流值是否大于5 A，一旦超過系統允許的最大電流值，繼電器斷開，并切斷電路，系統停止工作。

圖4 系統主程序運行流程圖

2.2 模數轉換程序設計

模數轉換程序流程圖如圖5 所示。設備上電后，STM32 開始對模數轉換模塊初始化，對端口進行使能處理，設置模數轉換工作方式，校準結束之后，開始對采集到的信號進行模數轉換處理，轉換完成后，程序結束。

圖5 模數轉換程序流程圖

2.3 中斷保護程序設計

中斷保護程序流程圖如圖6 所示。設備在接入交流電后，檢測模塊進入工作狀態，開始實時采集電壓值，接入負載之后，開始實時采集電流值，當檢測模塊檢測到電流值大于5 A 時，中斷保護程序啟動，繼電器斷開并切斷電路，信號指示燈熄滅，檢測模塊停止工作，程序結束。

圖6 中斷保護程序流程圖

2.4 顯示程序設計

顯示器的顯示內容包括系統實時采集到的電壓值、電流值、功率值以及用電量。顯示程序流程圖如圖7 所示。顯示器模塊運行時，為保證文本的正常顯示，應首先對顯示器進行初始化設置，顯示器顯示實時電力參數信號，程序結束。

圖7 顯示程序流程圖

3 系統調試結果

在完成系統各項功能的調試工作之后，開始對實物進行上電測試，最終實現以下功能：當系統接入5 V 直流電源，并完成上電工作，STM32 核心板指示燈亮起，檢測模塊電源指示燈亮起，顯示器屏幕點亮，并且所有顯示參數皆為0；隨后接入220 V 交流電，此時系統開始信號采集工作，顯示器實時顯示當前實際電壓值，當系統接入負載后顯示器開始顯示當前電流值、功率值以及負載所消耗的用電量；若系統檢測到電流值大于5 A 時，繼電器自動斷開，并切斷電路，同時繼電器信號指示燈滅，檢測模塊隨即停止工作；若檢測電流小于5 A，則系統可以一直正常工作，可以通過手動方式切斷電源，使系統停止工作。系統正常運行情況如圖8 所示。

圖8 系統正常運行情況圖

4 結論

該文從信號采集卡當前的實際發展情況出發，設計出一種基于STM32 的信號采集卡。通過對電壓互感器和電流互感器的選型以及整流電路的設計，系統實現了對于交流電信號的采集，最終完成了對電力參數中電壓、電流、功率、用電量等信號的采集。信號采集卡在接入交流電之后，可以實現將檢測并計算出的電壓、電流、功率及用電量通過顯示模塊實時顯示出來，最后經實驗驗證了設計方案的可行性。由于所選用的單片機性能強大，使其可靠性得到保障的同時具有易操作性、可擴展性等優點。