基于STM32的電流信號采集設計

摘要：隨著現代電子技術的不斷發展，智能電子產品應用廣泛，因此對電路的電流監測必不可少。文章設計了電流信號處理模塊、ADS1118電壓采集模塊、STM32F103ZET6主控模塊、NT35510和GT1151電容觸摸屏顯示模塊。各個模塊之間耦合性低，模塊集成度高，使用簡單，拓展性強。采樣電流在觸摸屏上進行顯示，觸摸屏可以對電流參數進行調整，數據調整簡單易操作。本設計已應用在部分產品，通過應用和測試，效果良好，同時為后續研究提供參考。

關鍵詞：智能；電流；采集；測試

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

0 引言

隨著時代的不斷發展，智能電子產品的應用越來越廣泛。為了在使用過程中對智能電子產品進行實時監控，也為今后的故障排除更加方便，對電路的電流監測必不可少。從電器角度而言，電流檢測裝置分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量一般在電路中接入采樣電阻，通過電阻兩端的電勢差來反推電流大小。而非接觸式電流采集一般通過檢測電流周圍產生的磁場，采用電流互感器、霍爾傳感器、羅氏線圈、光纖電流傳感器等來實現。

1 硬件電路設計

整個系統由電流信號處理模塊、ADS1118電壓采集模塊、STM32F103ZET6主控、NT35510和GT1151電容觸摸屏顯示模塊組成。各個模塊之間耦合性低，模塊集成度高，使用簡單，拓展性強。依據“法拉第電磁感應定律”和“安培環路定律”可知：當被測電流沿軸線通過電流互感器線圈中心時，會在環形繞組所環繞的體積內產生相應大小的磁場。磁場強度H可由安培環路定律求得：

∮H·dl=I（t）

由此可知，線圈的感應電壓與磁場強度的變化率成正比，即：

e（t）=di/dt

所以求得e（t）的積分即可獲得電流I。

為了測量較大的電流信號，同時也為了便于后續的數據采集及處理，使用線圈繞組作為電流互感器^［1］，其原邊為單匝線圈，副邊為多匝線圈，可以將一側母線上的電流信號減小到另一側。對于輸出電壓Vout可以由如下公式求得：

Vout=M di/dt

通過積分器將線圈輸出的電壓積分即可得到一個交流電壓信號，這個交流電壓信號可以準確地顯示被測電流的波形。積分器電路如圖1所示。

串聯式峰值檢波器無隔直特性，并聯式峰值檢波器由于有電容的存在，擁有隔直能力，因此應用更為廣泛。當交流電壓u（t）的正半周波形施向二極管時，u（t）對電容C充電，當u（t）波形過峰值后，此時電容兩端的電壓大于u（t），二極管截止，電容C會慢速放電，而后當u（t）第二個半周施向二極管時，u（t）高于C兩端的電壓，u（t）向電容C充電，如此反復，最后C上的電壓平均值會接近u（t）的峰值^［2］。需要注意的是，峰值檢波電路中的RL和C值對應不同頻率的測量電壓，但要使檢波器的充電時間遠大于放電時間，放電時間也要遠遠大于輸入信號的最大周期，RL也要遠遠大于被測回路的內阻。

電路最終輸出電壓Vo與被測電流i在一定的范圍內近似線性化，由于AD采集量程問題，如需擴大量程，可以考慮縮減電壓輸出比例，以擴大量程，缺陷在于由于ADC采集精度固定，會同步降低最終電流值的精度。而且在靠近量程極限時容易出線飽和或者進入非線性區域，這時就需要調節電路參數以適應不同量程電路。

在實際應用中，測量較低電流時，二極管的壓降造成的實際影響不能忽略，因此，文章最終設計增加了復位開關對電容進行放電，消除了二極管壓降所造成的影響。整體設計電路如圖2所示。

不同電路由于工藝的問題，無法做到完全一致，在理論計算完成后，需進行校準和定標，如誤差過大，需對電路參數進行調整。

2 軟件設計

軟件代碼由C語言編寫，使用ADS1118來進行電壓數據采集，通過屏幕觸摸實現按鍵切換，實現各界面圖的編程。

ADS1118是來自TI的16 bit精度ADC，同時片內集成溫度傳感器，可允許差分輸入或單端輸入。自帶1 MHz的晶振以及內部參考電壓源，因此外部電路較為簡單，同時功能十分強大，轉換速度8～860 SPS可調，在較低轉換速度時，采樣精度有所提升。同時片內集成可編程增益放大器，量程±0.256 V～±6.144 V可調節^［3］，可根據所測電流幅值進行自由選擇，當程序檢測到電壓數據處于較小量程時，可自動切換至較小的量程以增加測量精度。

ADS1118支持單次轉換模式和循環讀取模式，在本設計中采取循環讀取模式以增加讀取速度，簡化讀取流程。ADS1118內部僅有兩個寄存器，采用SPI接口進行讀寫，將其數據接口接到STM32片上外設SPI2上，以使用STM32硬件SPI降低內核占用。

顯示屏由STM32片上外設FSMC驅動，將屏幕數據在初始化階段或跳轉時寫入內存后，后續測量時僅需修改測量數據即可，屏幕數據由FSMC進行寫入，避免了整頁寫入占有內核大量算力，提高了測量效率。

GT1151Q觸摸芯片則由軟件模擬IIC時序進行通信。GT1151Q僅需4個引腳與主控相連，分別是INT，/RST，IIC_SCL和IIC_SDA。其中INT為中斷引腳，用于檢測坐標變化，/RST為復位引腳，IIC_SCL和IIC_SDA為IIC接口的時鐘線和數據線。由于STM32所有IO口均支持中斷，而且IIC時序由軟件模擬得到，因此GT1151Q可以連接在STM32任意空閑引腳上^［4］。

頻率測量由STM32定時器輸入捕獲來完成，輸入的正弦信號經由硬件電路變換成方波輸入主控，主控通過輸入捕獲可測量除兩次上升沿之間的時間差T，而周期的倒數即為頻率。

參數設定可設置電流上限值，參數超過設定參數時蜂鳴器長鳴報警，同時軟件控制電磁繼電器切斷信號輸入以確保電路不會被燒壞。若想重新測試，重啟即可。

3 數據采集測試結果

用信號發生器給出信號，串聯電阻已經測量得出采樣電阻，然后接入電流信號檢測儀進行測試。實際測試結果如表1所示。

經實際測試，被測正弦電流頻率范圍為50 Hz～2 kHz，被測電流在1～10 mA時，電流測量精度優于5%，被測電流在10～50 mA 范圍時，電流測量精度優于1%，頻率測量精度優于1%。經過多次反復測量，采集數據符合設計要求。若對精度或速度有額外的要求，可修改ADS1118的采樣速率或可編程增益放大器以達到要求。

4 結語

本設計主要完成了基于STM32的觸摸屏電流信號采集設計，在相關理論的參考依據下，實現了對電流信號的頻率和幅值進行測量，并且在屏幕上進行顯示，顯示部分由STM32片上外設FSMC進行驅動，節省了內核生成時序時的等待時間，極大地加快了程序運行速度。但是本設計依舊有許多不足之處，例如測量范圍依舊局限于50 mA以下，更高電流會影響線性化結果，造成測量誤差過大；不同線圈之間差異無法通過硬件調節來消除，只能通過軟件重新校準和定標；頻率的采集可經由STM32高級定時器的PWM輸入捕獲功能來測算等。

參考文獻

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［4］江杰，宋宏龍.基于GSM短信的煙霧傳感報警系統［J］.測控技術，2014（1）：1-3.

（編輯 王雪芬）

Design of touch screen current signal acquisition based on STM32

Wang Haizhen， Bao Tingting， Chang Xuyang， Liu Xiaozhao

（College of Mechanical and Electrical Technology， Suzhou Institute of Economics and Technology， Suzhou 215000， China）

Abstract： With the continuous development of modern electronic technology， intelligent electronic products are widely used， so the current monitoring of circuits is indispensable. In this paper， the current signal processing module， the ADS1118 voltage acquisition module， the STM32F103ZET6 main control module， and the NT35510 and GT1151 capacitive touch screen display modules are designed. The coupling between each module is low， the module is highly integrated， simple to use and highly expandable. Finally， the sampled current is displayed on the touch screen， which can adjust the current parameters， and the data adjustment is simple and easy to operate. This design is applied in some products， through application and testing， the effect is good， and at the same time provides reference for subsequent research.

Key words： intelligent; current; acquisition; test