基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測試儀設計

文/龍諾春 李進東 彭英旺

基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測試儀設計

文/龍諾春 李進東 彭英旺

許多電能設備對電源的電壓電流精度要求很高，因此，高精度的電壓電流測試儀是非常重要的。采用嵌入式ARM Cortex-A9處理器、24位模數轉換器件LTC2449和高增益放大器AD8221等元器件設計一個電壓電流測試儀，能實現對電壓電流的高精度測試要求。該測試儀還具有觸摸屏人機接口與溫度檢測等功能。

嵌入式 ARM 高精度 電壓電流 測試儀

1 前言

當今社會，充電的電能設備在各個方面的使用很廣泛，在人們的生活中也非常豐富，例如：手機、充電寶、純電瓶驅動的新能源汽車、電瓶自行車等。隨著充電電能設備的推廣應用，其使用壽命和安全性是人們關注的主題，那么怎么才能使電能設備擁有更長的壽命、同時也能更安全呢？通常情況下，通過檢測電能設備電壓電流的大小來自動控制設備的運行，當電壓或電流的大小超出了設定的安全值時便會報警并切斷電源。但是，對于精度要求很高的電能設備如何進行電壓電流檢測與控制，這是值得研究的課題。

基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測試儀設計，采用嵌入式ARM Cortex-A9處理器為核心，若采樣電路誤差非常小且性能穩定，采樣信號的精度就很高，通過高性能運算放大器對采樣信號放大，并經高精度的24位模數轉換器轉換后生成的數字信號經ARM處理器處理后，能保證高精度的電壓電流檢測。這就是該項目的高精度電壓電流測試儀設計理念。

2 高精度電壓電流測試儀的方案設計

根據高精度電壓電流測試儀設計理念，該高精度電壓電流測試儀以飛思卡爾I.MX6Q Cortex-A9四核處理器為核心，由高精度電壓、電流與溫度采樣電路，高性能放大器AD8221，24位模數轉換器LTC2449，觸摸屏，LCD顯示器及報警電路組成，測試儀系統設計的結構圖如圖1所示。

2.1 測試儀工作原理

該測試儀利用電壓采樣電路、電流采樣電路、溫度采樣電路將電能設備的工作電流、電壓與溫度進行采樣，采集到的數據經高性能放大器AD8221放大后，通過24位LTC2449A/ D轉換器轉換成數字信號之后，輸送給嵌入式ARM飛思卡爾 I.MX6Q Cortex-A9四核處理器，處理器對數字信號處理后，最后輸送到LCD顯示屏上顯示出用電設備的工作電壓、電流與溫度的大小。同時利用觸摸屏人機接口，在界面中能進行安全電壓、電流設定，設定的值會與接收到的值進行比較，如果大于或者等于設定值將會報警，以便提示用戶切斷電源，從而達到對設備的保護作用。

2.2 元器件的選擇與功能分析

為了保障測試儀的高精度和高性能要求，元器件的選擇是非常重要的。如果元器件的性能不好，穩定性差，就會影響測試儀的性能，如果元器件的精度不高，測試儀的精度就不可能達到要求。因此，對采樣電阻的性能和精度要求高，能保證精準的采樣值，對運算放大器的性能和精度要求高，能保證采樣值經放大后不失真，對A/D轉換器的性能和精度要求高，能保證采樣值誤差非常小的送到處理器，從而保證測量值的精確。

圖1：系統設計結構圖

2.1.1 采樣電阻

采樣電阻一般不用碳膜電阻，而選擇錳銅電阻。碳膜電阻是用有機粘合劑將碳墨、石墨和填充料配成懸浮液涂覆于絕緣基體上，經加熱聚合而成。碳膜電阻成本較低，電性能和穩定性較差，碳膜電阻器誤差率一般分為三個等級：I級的誤差率為5%，II二級的誤差率為10%，III級的誤差率為20%，顯然誤差率較大。錳銅電阻是具有電阻穩定特性的合金材料組成，它具有電阻溫度系數小、穩定性好、機械強度高等特點，并可制成粉、線、箔、片、帶、棒、管等形狀，表面還可以被覆各種絕緣材料。由于錳銅電阻具有很小的電阻、溫度系數和對銅的電熱勢低及電阻的高穩定性特點，因此，本系統采用錳銅電阻作業采樣電阻。

2.1.2 高性能放大器AD8221

高性能放大器AD8221是一款增益可編程的儀表放大器，在同類產品中，其相對于頻率的共模抑制比（CMRR）最高。相對于頻率的高共模抑制比使得AD8221可以抑制帶寬干擾和線路諧波，大大簡化了濾波要求。AD8221引腳布局圖如圖2所示。

圖2：AD8221引腳布局圖

AD8221的傳遞函數公式如（1）所示：

圖3：數據處理程序流程圖

AD8221的增益選擇：將一個電阻跨接在RG引腳上，即可設置AD8221的增益，電阻值大小可根據公式（1）進行計算。

電壓、電流采樣信號可接到AD8221的1、4引腳上，信號放大值由7號引腳輸出，7號引腳接到模數轉換器LTC2449的模擬量輸入端。

2.1.3 模數轉換器LTC2449

LTC2449 是8/16通道（4/8差分）的高速24 位無延遲增量累加的模數轉換器。該器件采用一種專有的增量累加型架構，實現了可變速度/分辨率。具有10種速度/分辨率組合，可通過一個簡單的四線式串行接口來選擇，該模數轉換器沒有轉換結果之間的延遲，對于偏移、全標度、線性度、漂移等情況都不會影響DC準確度。此外，還可選擇一種 2X 速度模式，從而實現高達 7kHz (如果采用一個外部振蕩器則為 8kHz) 的輸出頻率和單周期延遲。可利用一個從地電位至VCC的共模輸入范圍來選擇單端或差分輸入的任意組合，這與VREF 無關。當工作于 1X 速度模式時，在選擇了一個新的速度、分辨率或通道之后的第一個轉換是有效的。由于轉換操作之間沒有穩定時間，因此能以一個 500Hz 的頻率掃描所有 8 個差分通道。在每次轉換結束時，轉換器在內部復位，從而消除了連續轉換之間的任何記憶效應，并確保高階增量累加型調制器的穩定性。

模數轉換器LTC2449與嵌入式飛思卡爾I.MX6Q Cortex-A9四核處理器采用SPI總線連接，實現24位的數據輸出，模擬量輸入信號可接到LTC2449的16路輸入的任意引腳上，當然，也可采用差分接入方式。

3 系統軟件設計

系統軟件是在硬件基礎上開發的，基于Linux操作系統進行設計，主要有觸摸屏界面（包括LCD顯示）的Qt程序設計，數據處理（包括報警功能）程序設計和SPI總線的驅動程序設計等內容。由于SPI總線的驅動程序設計比較復雜，下面主要介紹Qt程序設計內容和數據處理程序設計內容。

3.1 Qt界面程序設計

Qt界面程序設計主要是為了能通過界面簡便直觀的操作測試儀，并通過顯示界面顯示測試的數據，主要有以下內容：

（1）主界面功能：顯示測試電壓、電流、額定電壓、額定電流、當前溫度值等，能進入參數設置界面和校準界面。

（2）參數設置界面功能：可設置安全電壓范圍、安全電流范圍、安全溫度范圍等，并能取消或保存設置值。

（3）校準界面功能：能進入相關校準界面，對電壓校準和電流校準。

（4）電壓校準界面功能：能顯示采樣電流、精確電流和精確度等值，并具有預校準、設置、計算、下載、清空數據等功能。

（5）電流校準界面功能：能顯示采樣電壓、精確電壓和精確度等值，并具有預校準、設置、計算、下載、清空數據等功能。

3.2 數據處理程序設計

數據處理程序設計主要是對A/D轉換后的數據進行分析比較，對相關數據進行判斷，判斷電壓、電流、溫度等有關數據是否超出了設定的界限值，如果超出了界限值便進行報警或切斷回路，如果沒有超出設定的界限值，便在QT界面上顯示相關數據。數據處理程序的流程圖如圖3所示。

4 結語

基于嵌入式ARM的高精度電壓電流測試儀主要由嵌入式ARM Cortex-A9處理器、高性能放大器AD8221器件和24位的LTC2449模數轉換器件組成，并具有觸摸屏人機接口功能、LCD信息顯示功能及溫度檢測功能。該測試儀能夠精準的檢測出電能設備輸入或輸出的電壓電流大小，性能穩定可靠，操作方便直觀，具有一定的推廣應用價值。

[1]王永明等.高精度儀表放大器AD8221增益控制的設計[J].工程與試驗,2012(04):61-62.

[2]奚海蛟等.嵌入式LINUX驅動程序實戰開發[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012:145-154.

作者單位廣東白云學院電氣與信息工程學院 廣東省廣州市 510450

龍諾春（1964-），男，湖南省邵陽市人。廣東白云學院電氣與信息工程學院，副教授/高級工程師。主要研究方向為嵌入式系統技術、智能控制技術。彭英旺（1991-），男，廣東省化州市人。廣東白云學院電氣與信息工程學院，電子信息工程專業學生。

“電子信息工程專業綜合改革試點”項目（廣東省質量工程：20131131088）。