基于STM32的自动功率测量设计

文/陈羽

对于电压电流的测量，若被测信号是在小范围内变化，要做到精确测量并不困难。但当被测信号在较大范围内变化时，为了保证精度，常用的方式是切换量程。然而在很多时候，为了做到测量的实时性，不允许采用手动换挡形式，因此本文中采用了STM32单片机技术，根据被测信号的大小，自动地选择合适的增益和衰减，实现了自动量程切换的电压电流测量。

图1：系统组成

1 系统总体设计方案

本文设计的功率测量直流电压范围为0～30V，能自动进行量程转换。功率测量的原理方框图如图1所示,以STM32作为电路的核心部件,采用软件编程和硬件相结合的形式。输入信号经放大后，由单片机测出其大小，从而选择合适的信号去控制挡位的选择，实现量程自动切换功能,单片机根据A/D转换的值和挡位情况算出当前的电压和电流，在LCD屏上显示出来。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片的选择

本系统中采用32位的中容量STM32F103作为处理器。STM32F103是基于32位的Cortex—M3内核，工作频率为72MHz。片内资源及输入输出接口丰富，带有两个12位的ADC、一个12位的双通道DAC和11个16位的计时器。

2.2 电压采样电路

电压采样电路如图2所示。采用同相比例放大电路(MCP602)，假设输入为Ui，输出为Uo，得到Uo=(1+R6/R5)Ui，可以得知放大倍数为3.4倍。

图2：电压采样电路

图3：电流采样电路

图4：主程序设计

图5：AD转换程序

图6：量程切换程序

同相比例运算电路具有高输入电阻，低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。从另一个角度看，在对电路进行误差分析时，应特别注意共模信号的影响。

2.3 电流采样电路

电流采样电路如图3所示。采样电阻串联在被测电路中，毫欧级电阻R7实现电流取样，从而提高测量精度。电流采样信号同样采用同相比例放大，输入输出关系是Uo=(1+R10/R9)Ui，可以得知放大倍数为48倍。单片机测得运放输出的电压值，经过计算，就可得到被测信号的电流值。

2.4 A/D及量程转换电路

STM32内部的12位ADC模块，通过软件设置，可以直接测量运放输出的电压值。继电器与精密电阻网络构成分压档位调整电路，原理框图如图2所示。0-30V的被测电源输入后，当运放输出电压PA0超过3V时，PB5输出高电平；运放输出电压没超过3V时，PB5输出低电平，从而控制输出继电器，如此实现自动切换量程。

3 系统软件设计

量程自动切换功率测量的程序采用模块化设计,用C语言编程。程序由主程序、量程切换子程序、LCD显示子程序、A/D转换子程序等组成。

3.1 主程序设计

上电后程序通过初始化,进入监控状态,显示待机界面等待测量。A/D启动后,首先选择最大量程对外部数据进行采样计算并判断,确定合适的量程。切换量程后再次采样,记录得到的数据,通过相应的计算,得到测量的电压并显示电压电流值。系统流程图如图4所示。

3.2 AD转换程序设计

STM32 内部自带A/D 转换功能，只需调用固件库，即可实现 STM32的A/D转换功能。此设计采用双通道模式，用 ADC0采样输入电压，用 ADC1采样输入电流。为提高 A/D 转换的精确度，可对连续采样的10 次 AD 转换结果求取平均值。程序流程图如图5所示。

3.3 量程切换程序设计

将A/D测量得到的数据与设置的阈值进行比较,若超出阈值,则超出原量程的范围,则进行升挡，直至升到合适的挡位，并根据此挡位的电路连接情况进行数据处理，得到相应的电压电流值；若低于所设值，则进行降挡处理，直至降到合适的挡位，并进行数据处理，得到相应的电压电流值。流程如图6所示。

4 结论

借助STM32内部自带的12 位逐次逼近型 A/D 转换功能，完成了对电源的电流与电压的测量，从而设计出了一款具有较高分辨率的功率测量装置。相比于传统的机械换挡测量，STM32通过阈值电压的判断，自动完成量程的切换，具有自动测量的效果。此外，此自动测量装置具有响应速度快，性能稳定，在电子测量领域，尤其是对微电压的精确测量方面，具有很好的实际应用价值。