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基于STM32的交流电压检测


第 24 卷

第 13 期

电子设计工程

Vol.24

No.13

Electronic Design Engineering

2016 年 7 月 Jul. 2016

基于 STM32 的交流电压检测
任宏斌 , 冷

建伟
( 天津理工大学 天津 300384 ) 摘要 : 电压信号采集是电子系统中常用的功能模块 , 本文针对于交流电压信号的采集 , 设计出了一种以 STM32 为核 心的低功耗 、 高性能的交流电压采集系统 。 系统使用运算放大器对信号进行跟随 , 利用 STM32 中内置的 ADC 对信 号进行模数转换 。 实际运行表明该设备操作简单 、 技术指标完全符合国家相关标准 , 具有较好的应用 、 推广价值 。 关键词 :STM32 ; 交流电压 ; 等相位采样 ; CD4046 中图分类号 :TN98 文献标识码 : A 文章编号 :1674-6236 (2016 )13-0133-03

AC voltage detection based on STM32
REN Hong-bin ,LENG Jian-wei (Tianjin University of Technology, Tianjin 300384 ,China ) Abstract: 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. Key words: STM32 ;ACvoltage; phase sampling; CD4046

DOI:10.14022/j.cnki.dzsjgc.2016.13.042
随着 我 国 经 济 的 发 展 , 各 行 业 对 电 力 的 需 求 逐 渐 增 长 。 因 此 , 科学 的 对 电力 供 应 进行 管 理 变为 当 前 的主 要 任 务 , 电 力 参 数的 采 集 作为 电 力 管理 的 基 础环 节 , 具 有至 关 重 要 的 作 用 。 随着 电 力 系统 的 发 展和 完 善 , 对电 力 数 据采 集 系 统 的 精 确性 、 实时性 、 可靠性等个方面指标都有更高的要求 。 传统的电力数据采集系统的存储空间和通信接口有 限 , 普 遍具 有 信 息量 小 、 精 确度 低 、 实 时性 差 等 缺点 , 已 经 无
[1]

围 。 在测量该电压信号时 , 使用锁相环对信号倍频 , 得到的脉 冲触发 STM32 外部中断对电压信号进行等相位测量 。 通过该 信号 采 集 电路 ,STM32 可 以 得到 一 组 离 散 的 电 压 值 , 利 用 芯 片 的 高 性 能 进 行 FFT 算 法 对 基 波 分 量 以 及 谐 波 进 行 检 测 分 析 ,检 测 结 果 在 屏 幕 上 显 示 ,利 用 串 口 等 通 讯 方 式 可 以 在 多 个检 测 设 备之 间 进 行数 据 交 换 , 并 可 以 连 接 上 位 机 对 数 据 进 行存储和分析 。 系统总体框图如图 1 所示 。

法满足实际的电力系统调度及管理需要, 本文提出基于

STM32 的交流电压采集方案 。 该芯片是 ST 公司基于 CortexM3 内核生产的拥有众多外设的 MCU , 充分利用其丰富 的 片
上 资 源 进行 设 计 , 以达 到 节 省硬 件 投 资的 目 的 。 利用 STM32 内置的高精 度 A/D 转换 器 可 对信 号 进 行高 速 采 集和 处 理 , 通 过 TFT 对相关数据进行实 时 显 示 , 利 用 先 进的 电 源 及时 钟 管 理 、 双 看 门 狗等 功 能 , 使系 统 的 实时 性 与 可靠 性 得 到加 强 , 精 度 显 著 提 高 ,同 时 功 耗 大 为 降 低 。 系 统 有 结 构 简 单 、可 靠 性 高 、低 成 本 、低 功 耗 等 优 点 ,适 合 实 时 现 场 操 作 ,具 有 较 高 的 应用价值 [2]。
图1 系统总体结构图

1.2 交流电压采集原理分析
对交 流 工 频电 压 的 采集 , 一 般 是 以 其 有 效 值 进 行 计 量 , 其计算公式为 [3]:

U=

姨(1/T) 乙u (t)dt
2 0

T

(1)

1
1.1

系统整体方案设计和原理分析
系统整体方案 本系统采用 STM32 为核心设计 。 使用电压互感器降压 ,

其中 T 为信号周期 。 由上式可得

U =(1/T)
令 F=U2T ,f(t)=u2(t) , 则
T

2

乙u (t)dt
2 0

T

(2)

经过 预 处理 电 路 和调 理 电 路 使 电 压 符 合 ADC 通 道 的 输 入 范 收稿日期 :2015-06-30 稿件编号 :201506258

F=

乙f(t)dt
0

(3)

在 计 算 机 数 据 采 集 系 统 中 U ( t) 和 f ( t) 都 是 一 些 离 散 点 的

作者简介 : 任宏斌 (1991 — ) , 男 , 河南洛阳人 , 硕士研究生 。 研究方向 : 电力系统及其自动化 。

-133-

《 电子设计工程 》2016 年第 13 期
数值 , 所以用数值积分法将函数分解 , 变为若干离散值之和 , 即: 泽明电子的电压互感器 ZMPT101B。 交流电信号经过互感器一 次侧的限流电阻 R’ 变为电流信号 , 经过互感器后使用电阻 R1 将电流转换为所需的电压幅值 。 根据 ADC 的输入范围及互感 器参数 , 经计算可得 R’ 阻值为 250 kΩ,R1 阻值为 330 Ω, 此 时得到的交流电压幅值为 1.5 V 。 为了提高带载能力 , 该电压 信 号 在 经 过 C1 滤 波 后 进 入 一 个 由 LM324 构 成 的 电 压 跟 随 器 , 再经过运算放大器后输出到双向稳压管上 , 把电压限制 在 ±1.5 V 范 围 内 。 因 为 STM32 的 ADC 通 道 输 入 范 围 是 0~

F=(h/3)[f0 +4(f1 +f3 + … +f63 )+2(f2 +f4 + … +f62 )+f64 ]+EN
其中余顶 EN =(nh /90)f(4)(ζ) 0<ζ<T
5

(4) (5)

上式中 ,h=T/(2n)为采样间隔 ;n=N/2,N 为每周期采样点数 。 从理论上分析 , 电压是一个正弦信号 , 但当电压发生波动 时 , 其三次谐波的影响最大 , 因此可以认为电压波形是由基波 和三次谐波之和所组成的 , 即 :

u(t)=U1cosωt+U3cos3ωt
(4) 2

(6)
4

3.3 V , 所以使用交流 量 提 升 模 块 INA128 , 使 交 流 电 压 向 上 平
移 1.5 V , 再 经 过 RC 滤 波 电 路 , 所 得 电 压 输 出 到 ADC 通 道 。 其电路如图 2 所示 。

假 设 在 最 恶 劣 的 情 况 下 , 令 U1=U3=U , 则 f max =928U ω , 由于 MCU 内部的 A/D 转换器采用 0~3.3 V 满量程 , 可以认为

2.2 A/D 转换电路 STM32 芯 片 集 成 了 许 多 片 上 外 设 , 其 中 包 含 有 1~3 个 ADC , 这些 ADC 可以独立使用 , 也可以使用双重模式 ( 提高采
样率 )。 对于 ADC 来说 , 我们最关注的就是它的分辨率 、 转换 速度 、 类型 、 参考电压范围 [4]。 STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼 近型的模拟数字转换器 ; 最短采样时间为 1 μs 。 它 的 参 考 电 压 负 极 是 要 接 地 的 , 即 VREF-=0 V , 所 以 STM32 的 ADC 是

U=3.3 V , 则 EN =2.3×10-5 V 。 由上分析可得 , 在每个周期采
集 64 个点时 , 它的余项部分为 23 μV , 相比 ADC 模块的最低 分辨率 0.8 mV , 可以忽略不计 , 故采集精度完全满足要求 。

2
2.1

系统硬件设计
电压预处理电路及调理电路 电压预处理电路由电压互感器和电压跟随器组成 。 采用

图 2 电压预处理电路及调理电路 不能 直 接 测 量 负 电 压 的 , 输 入 的 电 压 信 号 的 范 围 为 :VREF样周期也固定不变 。 但是在实际的系统中 , 工频信号的频率经

≦ VIN ≦ VREF+ 。 本系统需要测量负电压 并 且 测 量 的 电 压 信 号超出范围 , 利用了电压互感器进行降压 , 并经过运算电路进 行 平 移 以 达 到 芯 片 所 能 识 别 的 电 压 范 围 。 该 ADC 完 全 满 足

常会发生变动造成采样失真 , 从而影响到测量的精度 。 所以在 实际的应用中 , 必须保持采样的时间间隔随着信号频率的变 化而自动调整 , 即把每个周期内等时间间隔采样变为等相位 采 样 。 在 本 系 统 中 采 用 由 锁 相 环 CD4046 和 计 数 器 CD4518 构成 锁 相 环 倍 频 电 路 将 信 号 进 行 64 倍 频 [5], 在 被 采 集 电 压 信 号 的 一 个 周 期 中 产 生 64 个 脉 冲 , 利 用 此 脉 冲 信 号 作 为

A/D 转换的精度要求 。 2.3
过零检测电路 为了使系统可以采集到交流电压频率 , 在系统中加入了 过零检测电路 , 即由 TL082 构 成 的 同 相 检 零 器 , 如 图 3 所 示 。 当输入信号高于 0 V 时 , 输出高电平 , 当输入信号低于 0 V 时 , 输出低电平 。 该电路产生的方波在提供给 MCU 进行频率 的计算的同时 , 也提供给锁相倍频电路 , 保证采样准确 。

STM32 的 中 断 信 号 , 快 速 启 动 A\D 转 换 通 道 进 行 转 换 , 实 现
高速的数据采集 [6]。 电路如图 4 所示 。

3

软件部分
本系统的 STM32 程序采用库函数方式编写 , 库函数是建

设在寄存器与用户驱动层之间的代码 , 下辖处理与寄存器直 接相关的配置 , 向上为用户提供配置寄存器的接口 , 开发者可 以通过调用这些函数接口来配置 STM32 的寄存器 , 有开发快 速 , 易于阅读等优点 。 程序主体部分为 ADC 采集程序 ,为了提高 CPU 的利用效 率 , 在 本 系 统 中 使 用 STM32 自 带 的 DMA (Direct Memory
图 3 过零检测电路及波形 锁相环倍频电路

Access)功能 。 DMA 即直接存储器存取 , 是一种可以大大减轻 CPU 工作量的数据存取方式 。 DMA 为 CPU 分担了数据转移的
工作 , 因为 DMA 的存在 ,CPU 被解放出来 , 它可以在 DMA 转

2.4

在 理 想 情 况 下 ,工 频 信 号 的 频 率 是 固 定 不 变 的 ,那 么 采

-134-

任宏斌 , 等

基于 STM32 的交流电压检测

图 4 锁相倍频电路 移数据的过程中同时进行数据运算 ,响应中断 ,大大提高效率 。

整体软件流程图如下 :

5

结 论
本文 介 绍 的 交 流 电 压 采 集 系 统 使 用 意 法 半 导 体 公 司 的

ARM 芯 片 STM32 , 该 芯 片 使 用 Cortex-M3 内 核 , 其 内 部 功 能
模块丰富 , 系 统 不需 要 其 它拓 展 芯 片就 可 以 实现 A/ D 转 换 、 数据通信等功能 , 简化了硬件设计 , 节约了投资成本 。 随着电 力系统的进一步发展 , 对采集数据要求的进一步提高 ,STM32 芯片 可 以在 现 有 的基 础 上 进行 程 序 的改 进 , 可 以实 现 对 采 集 的 交 流 信 号 进 行 FFT 处 理 , 计 算 更 精 准 的 数 据 及 谐 波 的 分
图5 软件流程图

析 。 这种基于 STM32 的电压采集系统将有更高的应用价值和 广阔的市场前景 。 参考文献 :

4

结果分析
使 用 Keil 工 具 编 写 STM32 程 序 , 并 通 过 J-Link 进 行 下

[1] 季力 . 基于 STM32 芯片的电参数测量与数据传输 [J]. 自动化
与仪器仪表 ,2010(3):137-139.

载和调试 , 调试完成后程序可以达到预期的功能 。 上位机使用

C# 编写一个通讯程序 , 通过串口与 STM32 相 连 接 , 并 可 以 实
时显示检测出的电压值 。 如图 6 所示 , 通过程序对串口设置 , 方便后期数据传输格式的修改 , 在 listview 控件内以表格的形 式显示实时电压值 。

[2] 张旭 . 基于 STM32 电力数据采集系统的设计 [J]. 电子测量技
术报 ,2010 (11 ):90-93.

[3] 夏恒志 . 基于 PIC 的交流电压检测设计 [J]. 科技信息 : 学术研
究 ,2008(36):705-706.

[4] 刘火良 .STM32库开发实战指南 [M].北京 : 机械工业出版社 , 2013:112-138. [5] 许艳惠 .智能化数字工频有效值多用表的设计与实现 [J].微
计算机信息 ,2008(4):153-154.

[6] 张 旭 , 黄 细 霞 , 孔 祥 品 , 等 . 锁 相 倍 频 电 路 在 电 压 信 号 DSP 数
据采集中的应用 [J]. 电源学报 ,2012(5):32-36.

图6

上位机程序截图

-135-


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