基于單片機的多通道電路檢測系統設計

劉習奎

（深圳市欣旺達電氣技術有限公司，廣東 深圳 518108）

0 引 言

隨著科學技術的進步，人們日常生產和生活中電氣設備、電子設備的使用比例不斷增加，這對相關技術的發展提出更為復雜的要求。

在用電設備的研發、應用與維護中，如果希望獲知設備的設計生產質量、運行狀態，最直接、可行的方法是測量電壓、電流2 種基本電學物理量，并對測量結果進行分析。例如：在電池生產中，常通過電壓測量分析電芯成分或進行老化檢測；在對電池設計過流、過載保護電路時，需要進行必要的電流檢測[1-2]。

在電氣電子設備的使用過程中，存在較多對電壓、電流檢測的需求。例如：在電機控制中，需要實時監控并調整電壓大小，以調整轉速；在分析電子系統能耗時，需要進行電壓、電流的實時檢測；在使用直流-直流變換器時，其導通控制需要更準確的電壓測量[3-5]。由此可見，電路檢測對用電設備的生產工藝改進和正確有效使用均具有較為重要的實際意義。

目前，電壓、電流檢測技術仍需進一步研究，以提升檢測效率。對于目前常用的設備，其檢測效率受限的一個主要原因是可檢測通道不足，較少的檢測通道導致設備無法同時處理不同來源和不同類型的電信號，進而導致檢測步驟和時長增加，對提高分析效率產生不利影響。文章設計一種基于單片機的多通道電路檢測系統，在已有電路檢測方法的基礎上，通過多通道檢測和通道判定切換等方法，實現多通道的電壓、電流檢測。同時，對系統各部分進行模塊化設計，為更換模塊和故障排除提供便利。

1 多通道電路檢測的技術方法

多通道檢測是信號分析中的一種常用檢測方法。在具體的檢測過程中，根據輸入的不同，可將多通道監測系統分為多位數和多輸入2 類。多位數以各通道表示同一測量值的不同位數，以提高精度和分辨率。多輸入將來源不同的信號作為各通道的輸入，以提高分析檢測系統的自適應能力。對于電信號檢測系統，考慮不同的應用場景與方向，系統設計將以多輸入類型的系統為主，針對相關問題開展研究。

在多通道檢測系統的設計中，一個主要的問題在于選通方式的選用。文章所設計的系統是通過主控芯片發出指令，控制電路導通或斷開，以實現通道選通。通道切換電路的主要結構如圖1 所示。

圖1 通道切換電路基本結構

在檢測過程中，根據主控芯片的指令依次導通各通道，對得到的信號分別進行檢測。實際工程中，多以模擬電子開關或繼電器實現電路選通。在實際的電路檢測中，輸入信號可以是電流信號或電壓信號，且在不同的應用場合下，輸入信號的幅值可能存在較大的跨度。如果希望以單一系統實現不同幅值的電壓、電流信號檢測，則在設計中必須考慮輸入信號的類型判別，主要是電流、電壓信號的判別問題和幅值調整問題。根據基本的電學理論，測量輸入信號的電壓，如果在一個較長的時間內電壓無明顯變化，則輸入信號為電壓信號。同理，對輸入信號的電流進行測量，如果在一個較長的時間內電流無明顯變化，則輸入信號為電流信號。由此可判斷輸入信號的類型，并根據信號類型選擇處理方式。對于信號幅值調整問題，由于輸入信號為電壓或電流，存在不同的調整方式。電壓信號幅值調整方式如圖2 所示，電流信號幅值調整方式如圖3 所示。

圖2 電壓幅值調整方式

圖3 電流幅值調整方式

當輸入信號為電壓時，若其值較大，則要進行分壓處理，一般使用串聯電阻的方式分壓。當輸入信號為電流時，使待測電流流經采樣電阻，根據采樣電阻兩端電壓的大小判斷電流幅值是否需要調整。如果需要調整，則同樣進行分壓處理。

在檢測系統設計中，如果系統主要測量對象的常見測量值可以確定或被估計，則實際設計中可根據已知測量值選擇是否設置分壓電路，無須設計幅值判斷環節。由于后續電壓信號需要進行放大、濾波處理，在幅值調整設計中，對電壓、電流信號均以分壓形式調節。在電流檢測中需要進行必要的換算，以求得所測電流值。

2 電路檢測系統設計

以單片機和多通道檢測相關技術為基礎，研究并設計一種可用于電壓、電流測量的檢測系統，基本結構如圖4 所示。

圖4 檢測系統的基本結構

采集所得模擬信號經過通道選切后，先進行放大和濾波處理，然后通過模數轉換得到測量數據，經過主控單片機計算和處理后，將測量的最終結果傳輸至顯示器進行顯示。實際檢測系統中，可將具有不同功能的電路設計并制成獨立的電路模塊，為檢測系統和設備在使用中的故障排除、功能擴展與改進提供便利。

對于經過通道選擇、切換后的被測信號，需要進行放大處理。放大電路采用差分輸入的儀表放大器，基本結構如圖5 所示[6]。儀表放大器具有較高的共模抑制比、信噪比與輸入阻抗，同時減小了線性誤差，能夠提供低失調電壓和低失調電壓漂移。

圖5 儀表放大器電路結構

由圖5 可知，當R1=R2、R3=R4時，電路增益Au=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。Rg為一可調電阻，通過調節其阻值可改變儀表放大器的增益倍數。在電路中，若使用具有大可調范圍的Rg，則檢測系統可在一個較大的數值范圍內進行電信號測量，提升了檢測系統的適應性。

考慮到噪聲影響問題，系統中需引入低通濾波環節，以消除高頻噪聲。為提高生產、使用的便捷性，設計中采用Sallen-Key 有源濾波結構，如圖6 所示。

圖6 二階低通濾波器（Sallen-Key 結構）

Sallen-Key 結構是一種二階有源濾波結構，根據不同濾波要求調整阻抗元件的類型，由此可以得到不同頻率的濾波器。圖6 是一種二階低通濾波器結構，其特征頻率、截止頻率和品質因數由電阻R1、R2和電容C1、C2共同決定[7]。由于測量、計算得到的電學量為模擬量，若要讀取其數值，則需使用模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）將模擬量轉換為數字量，并由主控芯片進行數據處理。目前，常用的ADC 芯片已具有較高的性能，由主控單片機控制的顯示輸出技術已較為成熟。在此基礎上，為提高讀值準確度，需要使用高效、穩定的數據處理方法。

文章在設計中綜合使用了多種數據處理算法，包括一階滯后濾波法、滑動平均算法以及中位值法[8]。一階滯后平均法是一種低通濾波方法，通過對本次采樣與平滑系數之積以及上次采樣與1 減去平滑系數的結果之積求和，得到最終的采樣結果?；瑒悠骄惴ㄊ且环N取算數平均值的算法，采樣前預先在單片機的緩沖區存入數據，用每次采樣所得數據代替預存數據中最前一位的數據，并重新計算算術平均值，對每次所求平均值結果總體進行算術平均運算，即得到最終的采樣結果。中位值濾波法將多次（一般為奇數次）采樣的結果進行排序，取其中的中位數作為最終結果。在設計的數據處理中，文章首先使用一階滯后濾波法進行多次采樣，其次以滑動平均法處理采樣數據，最后綜合滑動平均法與中位值法的運算結果，得出所測電學量數值并顯示。

3 結 論

文章研究并設計了一種基于單片機的電路檢測系統，引入多通道檢測的相關技術方法，較好地解決了電路檢測中測量通道不足的問題。通過使用性能與擴展性較好的信號放大器與濾波器，進一步提高了檢測系統的可靠性和檢測結果的準確性。為進一步提高測量精度和讀數準度，在數字量的數據處理中綜合運用了不同的處理算法。研究表明，文章設計的電路檢測系統準確、可靠，具有較高的實際應用價值。