深度講解模擬量的硬件和程序的設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)里對(duì)模擬量的處理要比數(shù)字量稍顯復(fù)雜，但是只要掌握了使用技巧，使用起來也很簡(jiǎn)單，很多朋友一開始比較糾結(jié)于單片機(jī)的底層語言，非要先弄個(gè)明白才罷休，其實(shí)大可不必，重要的是我們要先學(xué)會(huì)怎么應(yīng)用。

現(xiàn)以鉛酸電池電壓檢測(cè)及充電電流檢測(cè)為例講解模擬量的硬件和程序的設(shè)計(jì)。

如圖1為28節(jié)鉛酸電池的電壓檢測(cè)電路，1--14節(jié)組成電池組1，15--28節(jié)組成電池組2；第1節(jié)正極為BAT+，14與15節(jié)之間為BATM，第28節(jié)負(fù)極為BAT-。輸入端的8個(gè)二極管的作用是鉗位作用；電路計(jì)算如圖所示。

圖1：電池組電壓檢測(cè)電路

如圖2為鉛酸電池的充電電流檢測(cè)電路，TA1為工頻電流互感器，輸入的4個(gè)二極管為整流二極管，電流流過R37（510Ω）形成壓差△V。電路計(jì)算如圖所示。

圖2：電池組充電電流檢測(cè)電路

如圖3為單片機(jī)STM32F103CBT6，圖1和圖2的模擬信號(hào)輸入至單片機(jī)的PA5、PA6、PA7。

圖3：STM32F103CBT6單片機(jī)

由于代碼較多，為便于瀏覽，我就把其中一部分以截圖的形式展示

如圖4為單片機(jī)adc.c文件的底層配置，把PA5、PA6、PA7端口配置成模擬輸入模式。

圖4：配置端口模式

如圖5對(duì)以上三個(gè)模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并緩存入數(shù)組ADC_ConvertedValue［3］，得到的AD值的范圍是0~4096。

圖5：模數(shù)轉(zhuǎn)換并緩存

如圖6把以上兩個(gè)配置函數(shù)整合在一起，定義成模擬量的初始化函數(shù)void ADC1_Init（void）。

圖6：初始化

如圖7在adc.h文件里聲明函數(shù)void ADC1_Init（void），另外幾個(gè)函數(shù)也在adc的c文件里定義的，后面附上源程序（非截圖）。

圖7：聲明函數(shù)

如圖8在main（）主函數(shù)里調(diào)用ADC1_Init（）初始化函數(shù)（要去掉void），初始化函數(shù)一定要放在while（1）的前面，表示在進(jìn)入while（1）無限循環(huán)前只執(zhí)行一次。Analog_Processing（）為模擬量處理函數(shù)，要放在while（1）無限循環(huán)里面（該函數(shù)在下面講）。

圖8，函數(shù)調(diào)用

以下為模擬量在main.c文件里的定義。

s16 Charging_Current; //充電電流實(shí)際值

s16 Battery1_Voltage; //電池組1電壓實(shí)際值

s16 Battery2_Voltage; //電池組2電壓實(shí)際值

s16 Battery_Voltage; //電池組總電壓值

下面三個(gè)函數(shù)的定義都在adc.c文件里面定義的。

以下代碼為模擬量處理函數(shù)：①對(duì)數(shù)組ADC_ConvertedValue［3］緩存值進(jìn)行濾波處理；②對(duì)濾波后的AD值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值。

/******************************

模擬量處理函數(shù)

******************************/

void Analog_Processing（void）

{

//對(duì)AD值進(jìn)行濾波

ADC_Charging_Current=Filter（ADC_ConvertedValue［0］，ADC_Charging_Current，1，10）;

ADC_Battery1_Voltage=Filter（ADC_ConvertedValue［1］，ADC_Battery1_Voltage，1，10）;

ADC_Battery2_Voltage=Filter（ADC_ConvertedValue［2］，ADC_Battery2_Voltage，1，10）;

//AD值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值

Charging_Current = Adc_To_Act（ADC_Charging_Current， 10， 4096， 0， 220）;//22.0A

Battery1_Voltage = Adc_To_Act（ADC_Battery1_Voltage， 10， 4096， 0， 267）;//267V

Battery2_Voltage = Adc_To_Act（ADC_Battery2_Voltage， 10， 4096， 0， 267）;//267V

//兩組電壓相加得到總電壓

Battery_Voltage = Battery1_Voltage + Battery2_Voltage;

}

以下代碼為濾波函數(shù)，濾波函數(shù)有很多，采用合適的才是最實(shí)用的（該函數(shù)濾波后的值是連續(xù)變化的，有些濾波函數(shù)濾波后的值是跳變的）。

/******************************

濾波函數(shù)（base/k越大，容性越大）

該函數(shù)相當(dāng)于是一個(gè)電容，通常取值k=1，base=10

******************************/

u16 Filter（u16 NewData， u16 OldData， u8 k， u8 base）

{

u16 uiResult;

if （NewData 》 OldData）

{

uiResult = NewData - OldData;

uiResult *= k;

uiResult += base 》》 2;

uiResult /= base;

uiResult = OldData + uiResult;

}

else if （OldData 》 NewData）

{

uiResult = OldData - NewData;

uiResult *= k;

uiResult += base 》》 2;

uiResult /= base;

uiResult = OldData - uiResult;

}

else

{

uiResult = NewData;

}

return（uiResult）;

}

使用方法如下：NewData表示最新采用的模擬量；OldData表示濾波后的模擬量。

ADC_Battery1_Voltage=Filter（ADC_ConvertedValue［1］，ADC_Battery1_Voltage，1，10）;

為便于邏輯計(jì)算、控制及顯示，以下代碼是把AD值轉(zhuǎn)換為實(shí)際值，

/******************************

AD值轉(zhuǎn)換實(shí)際值函數(shù)

******************************/

s16 Adc_To_Act（s16 Adc_Value， s16 Pre_Adc_Min， s16 Pre_Adc_Max， s16 Pre_Act_Min， s16 Pre_Act_Max）

{

s32 _temp;

s32 _range;

_temp = （s32）（（Adc_Value - Pre_Adc_Min） * （Pre_Act_Max - Pre_Act_Min） / （Pre_Adc_Max-Pre_Adc_Min）） + Pre_Act_Min;

_temp = Adc_Value - Pre_Adc_Min;

_range = Pre_Act_Max - Pre_Act_Min;

_temp = _temp * _range;

_range = Pre_Adc_Max - Pre_Adc_Min;

_temp = _temp + _range / 2;

_temp = _temp / _range;

_temp = _temp + Pre_Act_Min;

return（_temp）;

}

使用方法如下：Adc_Value表示要轉(zhuǎn)換的模擬量；Pre_Adc_Min表示模擬量AD值的最小值；Pre_Adc_Max表示模擬量AD值的最大值；Pre_Act_Min表示轉(zhuǎn)換后實(shí)際值的最小值；Pre_Act_Max表示轉(zhuǎn)換后實(shí)際值的最大值；（以下最大實(shí)際值220表示22.0A，是因?yàn)?a target="_blank">數(shù)碼管顯示需要小數(shù)表示）。

Charging_Current = Adc_To_Act（ADC_Charging_Current， 10， 4096， 0， 220）;//22.0A

要點(diǎn)：

①模擬量的采樣電路，我多采用運(yùn)放的差分放大電路，原因是被測(cè)電壓可以和運(yùn)放不用共地，且可有效抑制共模噪聲，可達(dá)到較高的精確線性測(cè)量，比如以上電池組的被測(cè)電壓的誤差與實(shí)際相差在0.3V左右；

②電池組輸入至運(yùn)放的8個(gè)1M的電阻是兩個(gè)為一組的，且功率至少1/4W以上，因?yàn)樵?a target="_blank">高壓下的電阻容易老化，為保險(xiǎn)起見，通常一個(gè)電阻的最大壓差在100V以下為宜；

③電池組分為兩組檢測(cè)，一是為了降低元件所承受的電壓，二是為了監(jiān)視兩組電池電壓之間是否平衡，達(dá)到保護(hù)電池目的。

③函數(shù)應(yīng)功能模塊化，且具備通用性質(zhì)，便于移植和調(diào)用，對(duì)于很多朋友應(yīng)先學(xué)會(huì)如何使用，底層代碼只要會(huì)配置就完全足夠了。

當(dāng)然，以上提供的設(shè)計(jì)是我通常的做法，能滿足大多數(shù)的常規(guī)應(yīng)用。
編輯：lyn