基于STM32的交流電壓檢測

任宏斌，冷建偉

（天津理工大學(xué) 天津300384）

基于STM32的交流電壓檢測

任宏斌，冷建偉

（天津理工大學(xué) 天津300384）

電壓信號采集是電子系統(tǒng)中常用的功能模塊，本文針對于交流電壓信號的采集，設(shè)計出了一種以STM32為核心的低功耗、高性能的交流電壓采集系統(tǒng)。系統(tǒng)使用運算放大器對信號進行跟隨，利用STM32中內(nèi)置的ADC對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。實際運行表明該設(shè)備操作簡單、技術(shù)指標(biāo)完全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的應(yīng)用、推廣價值。

STM32；交流電壓；等相位采樣；CD4046

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，各行業(yè)對電力的需求逐漸增長。因此，科學(xué)的對電力供應(yīng)進行管理變?yōu)楫?dāng)前的主要任務(wù)，電力參數(shù)的采集作為電力管理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，具有至關(guān)重要的作用。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和完善，對電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精確性、實時性、可靠性等個方面指標(biāo)都有更高的要求。

傳統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲空間和通信接口有限，普遍具有信息量小、精確度低、實時性差等缺點［1］，已經(jīng)無法滿足實際的電力系統(tǒng)調(diào)度及管理需要，本文提出基于STM32的交流電壓采集方案。該芯片是ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核生產(chǎn)的擁有眾多外設(shè)的MCU，充分利用其豐富的片上資源進行設(shè)計，以達到節(jié)省硬件投資的目的。利用STM32內(nèi)置的高精度A/D轉(zhuǎn)換器可對信號進行高速采集和處理，通過TFT對相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時顯示，利用先進的電源及時鐘管理、雙看門狗等功能，使系統(tǒng)的實時性與可靠性得到加強，精度顯著提高，同時功耗大為降低。系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、低成本、低功耗等優(yōu)點，適合實時現(xiàn)場操作，具有較高的應(yīng)用價值［2］。

1　系統(tǒng)整體方案設(shè)計和原理分析

1.1系統(tǒng)整體方案

本系統(tǒng)采用STM32為核心設(shè)計。使用電壓互感器降壓，經(jīng)過預(yù)處理電路和調(diào)理電路使電壓符合ADC通道的輸入范圍。在測量該電壓信號時，使用鎖相環(huán)對信號倍頻，得到的脈沖觸發(fā)STM32外部中斷對電壓信號進行等相位測量。通過該信號采集電路，STM32可以得到一組離散的電壓值，利用芯片的高性能進行FFT算法對基波分量以及諧波進行檢測分析，檢測結(jié)果在屏幕上顯示，利用串口等通訊方式可以在多個檢測設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換，并可以連接上位機對數(shù)據(jù)進行存儲和分析。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2交流電壓采集原理分析

對交流工頻電壓的采集，一般是以其有效值進行計量，其計算公式為［3］：

其中T為信號周期。由上式可得

令F=U2T，f（t）=u2（t），則

在計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中U（t）和f（t）都是一些離散點的數(shù)值，所以用數(shù)值積分法將函數(shù)分解，變?yōu)槿舾呻x散值之和，

即：

上式中，h=T/（2n）為采樣間隔；n=N/2，N為每周期采樣點數(shù)。

從理論上分析，電壓是一個正弦信號，但當(dāng)電壓發(fā)生波動時，其三次諧波的影響最大，因此可以認(rèn)為電壓波形是由基波和三次諧波之和所組成的，即：

假設(shè)在最惡劣的情況下，令U1=U3=U，則=928U2ω4，由于MCU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采用0～3.3 V滿量程，可以認(rèn)為U=3.3 V，則。由上分析可得，在每個周期采集64個點時，它的余項部分為23 μV，相比ADC模塊的最低分辨率0.8 mV，可以忽略不計，故采集精度完全滿足要求。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1電壓預(yù)處理電路及調(diào)理電路

電壓預(yù)處理電路由電壓互感器和電壓跟隨器組成。采用澤明電子的電壓互感器ZMPT101B。交流電信號經(jīng)過互感器一次側(cè)的限流電阻R'變?yōu)殡娏餍盘枺?jīng)過互感器后使用電阻R1將電流轉(zhuǎn)換為所需的電壓幅值。根據(jù)ADC的輸入范圍及互感器參數(shù)，經(jīng)計算可得R'阻值為250 kΩ，R1阻值為330 Ω，此時得到的交流電壓幅值為1.5 V。為了提高帶載能力，該電壓信號在經(jīng)過C1濾波后進入一個由LM324構(gòu)成的電壓跟隨器，再經(jīng)過運算放大器后輸出到雙向穩(wěn)壓管上，把電壓限制在±1.5 V范圍內(nèi)。因為STM32的ADC通道輸入范圍是0～3.3 V，所以使用交流量提升模塊INA128，使交流電壓向上平移1.5 V，再經(jīng)過RC濾波電路，所得電壓輸出到ADC通道。其電路如圖2所示。

圖2　電壓預(yù)處理電路及調(diào)理電路

2.2A/D轉(zhuǎn)換電路

STM32芯片集成了許多片上外設(shè)，其中包含有1～3個ADC，這些ADC可以獨立使用，也可以使用雙重模式（提高采樣率）。對于 ADC來說，我們最關(guān)注的就是它的分辨率、轉(zhuǎn)換速度、類型、參考電壓范圍［4］。STM32的ADC是 12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；最短采樣時間為 1 μs。它的參考電壓負極是要接地的，即VREF-=0 V，所以STM32的ADC是不能直接測量負電壓的，輸入的電壓信號的范圍為：VREF-≦VIN≦VREF+。本系統(tǒng)需要測量負電壓并且測量的電壓信號超出范圍，利用了電壓互感器進行降壓，并經(jīng)過運算電路進行平移以達到芯片所能識別的電壓范圍。該ADC完全滿足A/D轉(zhuǎn)換的精度要求。

2.3過零檢測電路

為了使系統(tǒng)可以采集到交流電壓頻率，在系統(tǒng)中加入了過零檢測電路，即由TL082構(gòu)成的同相檢零器，如圖3所示。當(dāng)輸入信號高于0 V時，輸出高電平，當(dāng)輸入信號低于0 V時，輸出低電平。該電路產(chǎn)生的方波在提供給MCU進行頻率的計算的同時，也提供給鎖相倍頻電路，保證采樣準(zhǔn)確。

圖3　過零檢測電路及波形

2.4鎖相環(huán)倍頻電路

在理想情況下，工頻信號的頻率是固定不變的，那么采樣周期也固定不變。但是在實際的系統(tǒng)中，工頻信號的頻率經(jīng)常會發(fā)生變動造成采樣失真，從而影響到測量的精度。所以在實際的應(yīng)用中，必須保持采樣的時間間隔隨著信號頻率的變化而自動調(diào)整，即把每個周期內(nèi)等時間間隔采樣變?yōu)榈认辔徊蓸印Ｔ诒鞠到y(tǒng)中采用由鎖相環(huán)CD4046和計數(shù)器CD4518構(gòu)成鎖相環(huán)倍頻電路將信號進行64倍頻［5］，在被采集電壓信號的一個周期中產(chǎn)生64個脈沖，利用此脈沖信號作為STM32的中斷信號，快速啟動AD轉(zhuǎn)換通道進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集［6］。電路如圖4所示。

3　軟件部分

本系統(tǒng)的STM32程序采用庫函數(shù)方式編寫，庫函數(shù)是建設(shè)在寄存器與用戶驅(qū)動層之間的代碼，下轄處理與寄存器直接相關(guān)的配置，向上為用戶提供配置寄存器的接口，開發(fā)者可以通過調(diào)用這些函數(shù)接口來配置STM32的寄存器，有開發(fā)快速，易于閱讀等優(yōu)點。

程序主體部分為ADC采集程序，為了提高CPU的利用效率，在本系統(tǒng)中使用STM32自帶的DMA（Direct Memory Access）功能。DMA即直接存儲器存取，是一種可以大大減輕CPU工作量的數(shù)據(jù)存取方式。DMA為CPU分擔(dān)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的工作，因為DMA的存在，CPU被解放出來，它可以在DMA轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的過程中同時進行數(shù)據(jù)運算，響應(yīng)中斷，大大提高效率。

圖4　鎖相倍頻電路

整體軟件流程圖如下：

圖5　軟件流程圖

4　結(jié)果分析

使用Keil工具編寫STM32程序，并通過J-Link進行下載和調(diào)試，調(diào)試完成后程序可以達到預(yù)期的功能。上位機使用C#編寫一個通訊程序，通過串口與STM32相連接，并可以實時顯示檢測出的電壓值。如圖6所示，通過程序?qū)Υ谠O(shè)置，方便后期數(shù)據(jù)傳輸格式的修改，在listview控件內(nèi)以表格的形式顯示實時電壓值。

圖6　上位機程序截圖

5　結(jié)論

本文介紹的交流電壓采集系統(tǒng)使用 意法半導(dǎo)體公司的ARM芯片STM32，該芯片使用Cortex-M3內(nèi)核，其內(nèi)部功能模塊豐富，系統(tǒng)不需要其它拓展芯片就可以實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信等功能，簡化了硬件設(shè)計，節(jié)約了投資成本。隨著電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展，對采集數(shù)據(jù)要求的進一步提高，STM32芯片可以在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行程序的改進，可以實現(xiàn)對采集的交流信號進行FFT處理，計算更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)及諧波的分析。這種基于STM32的電壓采集系統(tǒng)將有更高的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

［1］季力.基于STM32芯片的電參數(shù)測量與數(shù)據(jù)傳輸［J］.自動化與儀器儀表，2010（3）:137-139.

［2］張旭.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電子測量技術(shù)報，2010（11）:90-93.

［3］夏恒志.基于PIC的交流電壓檢測設(shè)計［J］.科技信息：學(xué)術(shù)研究，2008（36）:705-706.

［4］劉火良.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013:112-138.

［5］許艷惠.智能化數(shù)字工頻有效值多用表的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息,2008（4）:153-154.

［6］張旭,黃細霞,孔祥品,等.鎖相倍頻電路在電壓信號DSP數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用［J］.電源學(xué)報，2012（5）:32-36.

AC voltage detection based on STM32

REN Hong-bin，LENG Jian-wei
（Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

Voltage signal acquisition is the common function module in the electronic system.In this paper,a low power consumption and high performance AC voltage acquisition system is designed based on STM32.The system uses the operational amplifier to follow the signal,and use LF398 to sample the signal,and use the ADC STM32 to convert the signal to analog signal.The practical results show that the equipment is simple and the technical specifications meet the national standards perfectly,and it has good value of application and promotion.

STM32；ACvoltage；phase sampling；CD4046

TN98

A

1674－6236（2016）13-0133-03

2015-06-30稿件編號：201506258

任宏斌（1991—），男，河南洛陽人，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。