基于单片机的多通道电路检测系统设计

刘习奎

（深圳市欣旺达电气技术有限公司，广东 深圳 518108）

0 引 言

随着科学技术的进步，人们日常生产和生活中电气设备、电子设备的使用比例不断增加，这对相关技术的发展提出更为复杂的要求。

在用电设备的研发、应用与维护中，如果希望获知设备的设计生产质量、运行状态，最直接、可行的方法是测量电压、电流2 种基本电学物理量，并对测量结果进行分析。例如：在电池生产中，常通过电压测量分析电芯成分或进行老化检测；在对电池设计过流、过载保护电路时，需要进行必要的电流检测[1-2]。

在电气电子设备的使用过程中，存在较多对电压、电流检测的需求。例如：在电机控制中，需要实时监控并调整电压大小，以调整转速；在分析电子系统能耗时，需要进行电压、电流的实时检测；在使用直流-直流变换器时，其导通控制需要更准确的电压测量[3-5]。由此可见，电路检测对用电设备的生产工艺改进和正确有效使用均具有较为重要的实际意义。

目前，电压、电流检测技术仍需进一步研究，以提升检测效率。对于目前常用的设备，其检测效率受限的一个主要原因是可检测通道不足，较少的检测通道导致设备无法同时处理不同来源和不同类型的电信号，进而导致检测步骤和时长增加，对提高分析效率产生不利影响。文章设计一种基于单片机的多通道电路检测系统，在已有电路检测方法的基础上，通过多通道检测和通道判定切换等方法，实现多通道的电压、电流检测。同时，对系统各部分进行模块化设计，为更换模块和故障排除提供便利。

1 多通道电路检测的技术方法

多通道检测是信号分析中的一种常用检测方法。在具体的检测过程中，根据输入的不同，可将多通道监测系统分为多位数和多输入2 类。多位数以各通道表示同一测量值的不同位数，以提高精度和分辨率。多输入将来源不同的信号作为各通道的输入，以提高分析检测系统的自适应能力。对于电信号检测系统，考虑不同的应用场景与方向，系统设计将以多输入类型的系统为主，针对相关问题开展研究。

在多通道检测系统的设计中，一个主要的问题在于选通方式的选用。文章所设计的系统是通过主控芯片发出指令，控制电路导通或断开，以实现通道选通。通道切换电路的主要结构如图1 所示。

图1 通道切换电路基本结构

在检测过程中，根据主控芯片的指令依次导通各通道，对得到的信号分别进行检测。实际工程中，多以模拟电子开关或继电器实现电路选通。在实际的电路检测中，输入信号可以是电流信号或电压信号，且在不同的应用场合下，输入信号的幅值可能存在较大的跨度。如果希望以单一系统实现不同幅值的电压、电流信号检测，则在设计中必须考虑输入信号的类型判别，主要是电流、电压信号的判别问题和幅值调整问题。根据基本的电学理论，测量输入信号的电压，如果在一个较长的时间内电压无明显变化，则输入信号为电压信号。同理，对输入信号的电流进行测量，如果在一个较长的时间内电流无明显变化，则输入信号为电流信号。由此可判断输入信号的类型，并根据信号类型选择处理方式。对于信号幅值调整问题，由于输入信号为电压或电流，存在不同的调整方式。电压信号幅值调整方式如图2 所示，电流信号幅值调整方式如图3 所示。

图2 电压幅值调整方式

图3 电流幅值调整方式

当输入信号为电压时，若其值较大，则要进行分压处理，一般使用串联电阻的方式分压。当输入信号为电流时，使待测电流流经采样电阻，根据采样电阻两端电压的大小判断电流幅值是否需要调整。如果需要调整，则同样进行分压处理。

在检测系统设计中，如果系统主要测量对象的常见测量值可以确定或被估计，则实际设计中可根据已知测量值选择是否设置分压电路，无须设计幅值判断环节。由于后续电压信号需要进行放大、滤波处理，在幅值调整设计中，对电压、电流信号均以分压形式调节。在电流检测中需要进行必要的换算，以求得所测电流值。

2 电路检测系统设计

以单片机和多通道检测相关技术为基础，研究并设计一种可用于电压、电流测量的检测系统，基本结构如图4 所示。

图4 检测系统的基本结构

采集所得模拟信号经过通道选切后，先进行放大和滤波处理，然后通过模数转换得到测量数据，经过主控单片机计算和处理后，将测量的最终结果传输至显示器进行显示。实际检测系统中，可将具有不同功能的电路设计并制成独立的电路模块，为检测系统和设备在使用中的故障排除、功能扩展与改进提供便利。

对于经过通道选择、切换后的被测信号，需要进行放大处理。放大电路采用差分输入的仪表放大器，基本结构如图5 所示[6]。仪表放大器具有较高的共模抑制比、信噪比与输入阻抗，同时减小了线性误差，能够提供低失调电压和低失调电压漂移。

图5 仪表放大器电路结构

由图5 可知，当R1=R2、R3=R4时，电路增益Au=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。Rg为一可调电阻，通过调节其阻值可改变仪表放大器的增益倍数。在电路中，若使用具有大可调范围的Rg，则检测系统可在一个较大的数值范围内进行电信号测量，提升了检测系统的适应性。

考虑到噪声影响问题，系统中需引入低通滤波环节，以消除高频噪声。为提高生产、使用的便捷性，设计中采用Sallen-Key 有源滤波结构，如图6 所示。

图6 二阶低通滤波器（Sallen-Key 结构）

Sallen-Key 结构是一种二阶有源滤波结构，根据不同滤波要求调整阻抗元件的类型，由此可以得到不同频率的滤波器。图6 是一种二阶低通滤波器结构，其特征频率、截止频率和品质因数由电阻R1、R2和电容C1、C2共同决定[7]。由于测量、计算得到的电学量为模拟量，若要读取其数值，则需使用模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）将模拟量转换为数字量，并由主控芯片进行数据处理。目前，常用的ADC 芯片已具有较高的性能，由主控单片机控制的显示输出技术已较为成熟。在此基础上，为提高读值准确度，需要使用高效、稳定的数据处理方法。

文章在设计中综合使用了多种数据处理算法，包括一阶滞后滤波法、滑动平均算法以及中位值法[8]。一阶滞后平均法是一种低通滤波方法，通过对本次采样与平滑系数之积以及上次采样与1 减去平滑系数的结果之积求和，得到最终的采样结果。滑动平均算法是一种取算数平均值的算法，采样前预先在单片机的缓冲区存入数据，用每次采样所得数据代替预存数据中最前一位的数据，并重新计算算术平均值，对每次所求平均值结果总体进行算术平均运算，即得到最终的采样结果。中位值滤波法将多次（一般为奇数次）采样的结果进行排序，取其中的中位数作为最终结果。在设计的数据处理中，文章首先使用一阶滞后滤波法进行多次采样，其次以滑动平均法处理采样数据，最后综合滑动平均法与中位值法的运算结果，得出所测电学量数值并显示。

3 结 论

文章研究并设计了一种基于单片机的电路检测系统，引入多通道检测的相关技术方法，较好地解决了电路检测中测量通道不足的问题。通过使用性能与扩展性较好的信号放大器与滤波器，进一步提高了检测系统的可靠性和检测结果的准确性。为进一步提高测量精度和读数准度，在数字量的数据处理中综合运用了不同的处理算法。研究表明，文章设计的电路检测系统准确、可靠，具有较高的实际应用价值。