基于STM32的交流電壓檢測

任宏斌，冷建偉

（天津理工大學 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 天津300384）

電壓信號采集是電子系統中常用的功能模塊，本文針對于交流電壓信號的采集，設計出了一種以STM32為核心的低功耗、高性能的交流電壓采集系統。系統使用運算放大器對信號進行跟隨，利用STM32中內置的ADC對信號進行模數轉換。實際運行表明該設備操作簡單、技術指標完全符合國家相關標準，具有較好的應用、推廣價值。

STM32；交流電壓；等相位采樣；CD4046

隨著我國經濟的發展，各行業對電力的需求逐漸增長。因此，科學的對電力供應進行管理變為當前的主要任務，電力參數的采集作為電力管理的基礎環節，具有至關重要的作用。隨著電力系統的發展和完善，對電力數據采集系統的精確性、實時性、可靠性等個方面指標都有更高的要求。

傳統的電力數據采集系統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］，已經無法滿足實際的電力系統調度及管理需要，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內核生產的擁有眾多外設的MCU，充分利用其豐富的片上資源進行設計，以達到節省硬件投資的目的。利用STM32內置的高精度A/D轉換器可對信號進行高速采集和處理，通過TFT對相關數據進行實時顯示，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。系統有結構簡單、可靠性高、低成本、低功耗等優點，適合實時現場操作，具有較高的應用價值［2］。

1　系統整體方案設計和原理分析

1.1系統整體方案

本系統采用STM32為核心設計。使用電壓互感器降壓，經過預處理電路和調理電路使電壓符合ADC通道的輸入范圍。在測量該電壓信號時，使用鎖相環對信號倍頻，得到的脈沖觸發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，檢測結果在屏幕上顯示，利用串口等通訊方式可以在多個檢測設備之間進行數據交換，并可以連接上位機對數據進行存儲和分析。系統總體框圖如圖1所示。

圖1　系統總體結構圖

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

在計算機數據采集系統中U（t）和f（t）都是一些離散點的數值，所以用數值積分法將函數分解，變為若干離散值之和，

即：

上式中，h=T/（2n）為采樣間隔；n=N/2，N為每周期采樣點數。

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

假設在最惡劣的情況下，令U1=U3=U，則=928U2ω4，由于MCU內部的A/D轉換器采用0～3.3 V滿量程，可以認為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　系統硬件設計

2.1電壓預處理電路及調理電路

電壓預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。交流電信號經過互感器一次側的限流電阻R'變為電流信號，經過互感器后使用電阻R1將電流轉換為所需的電壓幅值。根據ADC的輸入范圍及互感器參數，經計算可得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，該電壓信號在經過C1濾波后進入一個由LM324構成的電壓跟隨器，再經過運算放大器后輸出到雙向穩壓管上，把電壓限制在±1.5 V范圍內。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　電壓預處理電路及調理電路

2.2A/D轉換電路

STM32芯片集成了許多片上外設，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，我們最關注的就是它的分辨率、轉換速度、類型、參考電壓范圍［4］。STM32的ADC是 12位逐次逼近型的模擬數字轉換器；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轉換的精度要求。

2.3過零檢測電路

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

圖3　過零檢測電路及波形

2.4鎖相環倍頻電路

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。但是在實際的系統中，工頻信號的頻率經常會發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整，即把每個周期內等時間間隔采樣變為等相位采樣。在本系統中采用由鎖相環CD4046和計數器CD4518構成鎖相環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轉換通道進行轉換，實現高速的數據采集［6］。電路如圖4所示。

3　軟件部分

本系統的STM32程序采用庫函數方式編寫，庫函數是建設在寄存器與用戶驅動層之間的代碼，下轄處理與寄存器直接相關的配置，向上為用戶提供配置寄存器的接口，開發者可以通過調用這些函數接口來配置STM32的寄存器，有開發快速，易于閱讀等優點。

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工作量的數據存取方式。DMA為CPU分擔了數據轉移的工作，因為DMA的存在，CPU被解放出來，它可以在DMA轉移數據的過程中同時進行數據運算，響應中斷，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　結果分析

使用Keil工具編寫STM32程序，并通過J-Link進行下載和調試，調試完成后程序可以達到預期的功能。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，通過程序對串口設置，方便后期數據傳輸格式的修改，在listview控件內以表格的形式顯示實時電壓值。

圖6　上位機程序截圖

5　結論

本文介紹的交流電壓采集系統使用 意法半導體公司的ARM芯片STM32，該芯片使用Cortex-M3內核，其內部功能模塊豐富，系統不需要其它拓展芯片就可以實現 A/D轉換、數據通信等功能，簡化了硬件設計，節約了投資成本。隨著電力系統的進一步發展，對采集數據要求的進一步提高，STM32芯片可以在現有的基礎上進行程序的改進，可以實現對采集的交流信號進行FFT處理，計算更精準的數據及諧波的分析。這種基于STM32的電壓采集系統將有更高的應用價值和廣闊的市場前景。

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

［2］張旭.基于STM32電力數據采集系統的設計［J］.電子測量技術報，2010（11）:90-93.

［3］夏恒志.基于PIC的交流電壓檢測設計［J］.科技信息：學術研究，2008（36）:705-706.

［4］劉火良.STM32庫開發實戰指南［M］.北京：機械工業出版社，2013:112-138.

［5］許艷惠.智能化數字工頻有效值多用表的設計與實現［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數據采集中的應用［J］.電源學報，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：電力系統及其自動化。