【电压电流表训练营】基于CW32的电压电流表

一、设计背景

ADC（Analog-to-Digital Converter，即模拟-数字转换器)是电子系统中不可或缺的关键组件，它将连续的模拟信号转换为数字信号，为数字处理和分析提供了可能。ADC在信号转换、测量与数据采集、控制系统输入以及通信与信号处理等方面发挥着重要作用，其广泛的应用促进了各行业电子设备的智能化和精确控制，是推动现代科技进步的关键因素之一。
数字电压电流表结合了ADC的技术与电路测量原理，能够精确地将模拟的电压电流信号转换为数字显示，便于电子工程师直观读取和分析。这种设备不仅提高了电路测量的准确性和效率，还帮助工程师更好地理解电路行为，是进行电子设计和故障排查的得力助手，对电子工程师的工作具有重要的辅助作用。在产品应用上，数字电压电流表确保了电路设计的准确性和安全性，同时也为产品的质量控制和后期维护提供了有力支持。

台式数字万用表（Agilent 34401A）

二、硬件设计

1、供电电路

选择最高输入电压高达40V的SE8550K2 LDO（低压差线性稳压器）作为电源。

2、电压采样电路

本项目设计分压电阻为220K+10K，因此分压比例为22:1（ADC_IN11），在ADC参考电压为1.5V的情况下，可测量的最大电压为34.5V（1.5V * 23）。

3、电流采样电路

本项目采用低侧电流采样电路进行电流检测，采样电路的低侧与开发板表头接口共地。
本项目设计的采样电流为3A，选择的采样电阻（R0）为100mΩ。通过测量采样电阻两端电压（ADC_IN12），经过计算得到对应流入的电流大小。当通过采样电阻的电流大小为10mA时，采集到电阻两端电压为1mV。

4、数码管显示

本项目采用了数码管作为显示单元。

在本项目中使用了两颗0.28寸的三位共阴数码管作为显示器件，相较于显示屏，数码管在复杂环境中拥有更好的识别度，可以根据实际使用环境的需求，改为更小的限流电阻实现更高的数码管亮度。

5、电压、电流模拟

在该项目的官方例程中设计了电压、电流的模拟测量、标定电路，本工程由于无可调电源可用，全程的学习、测试、标定均在模拟电路上进行。电压、电流的测量均是通过采集相应的电压值，集合电路计算出测量结果，所以在模拟电路中，采用电位器实现相应的模拟。

6、核心主控板--立创·地文星CW32F030C8Tx开发板

CW32在本项目中的重要优势
宽工作温度：-40105℃的温度范围
宽工作电压：1.65V5.5V （STM32仅支持3.3V系统）
超强抗干扰：HBM ESD 8KV 全部ESD可靠性达到国际标准最高等级（STM32 ESD2KV）
本项目重点-更好的ADC：12位高速ADC 可达到±1.0LSB INL 11.3ENOB 多种Vref参考电压... ...（STM32仅支持VDD=Vref）
稳定可靠的eFLASH工艺。（Flash0等待）

三、软件设计

1、按键

本次实验采用软件消抖，消抖函数的编写思路为：设置按键检测标志位，当单片机检测到按键按下，相应IO口处为低电平时，将标志位置1；在后续的条件判断中如果标志位为1，则检测按键是否松开，若已松开则完成本次判断，认为按键已经按下过一次。这种方式可以不用延时判断，节约了软件资源。
按键功能：
K1:切换电压电流表的模式：
模式0：电压电流同测，上方橙色数码管显示电压，下方红色数码管显示电流
模式1：电压5V校准
模式2：电压10V校准
模式3：电流0.5A（对应模拟电路上分压0.05V）校准
模式4：电流1.5A（对应模拟电路上分压0.15V）校准
K2：执行校准模式下的校准流程，完成当前校准后，点亮白色LED灯进行提醒
K3：回到模式0（测量模式）

/**
 * @brief 按键扫描函数
 * @param void
 * @return void
 */
void key_scan(void)
{
	//K1
	if(GPIO_ReadPin(GPIO_K1,PIN_K1) == GPIO_Pin_RESET)
	{
		k1_flag = 1;
	}
	if(k1_flag == 1)
	{
		if(GPIO_ReadPin(GPIO_K1,PIN_K1) == GPIO_Pin_SET)
		{//松开时执行功能以达消抖目的
			k1_flag = 0;
			led_flag = 0;
			mode_flag = (mode_flag + 1) % 5;		//更换模式
		}
	}
	//K2
	if(GPIO_ReadPin(GPIO_K2,PIN_K2) == GPIO_Pin_RESET)
	{
		k2_flag = 1;
	}
	if(k2_flag == 1)
	{
		if(GPIO_ReadPin(GPIO_K2,PIN_K2) == GPIO_Pin_SET)
		{//松开时执行功能以达消抖目的	
			// 校准
			if(mode_flag==1)
			{
			 X05=Mean_Value_Filter(Voltage_Buffer_High,ADC_SAMPLE_SIZE);
			 save_calibration();ComputeK();data_refresh();//mode_flag=2;
			}
			if(mode_flag==2)
			{
			 X10=Mean_Value_Filter(Voltage_Buffer_High,ADC_SAMPLE_SIZE);
			 save_calibration();ComputeK();data_refresh();//mode_flag=0;
			}
			if(mode_flag==3)
			{
			 IX05=Mean_Value_Filter(Current_Buffer_Num,ADC_SAMPLE_SIZE);
			 save_calibration();ComputeK();data_refresh();//mode_flag=4;
			}
			if(mode_flag==4)
			{
			 IX15=Mean_Value_Filter(Current_Buffer_Num,ADC_SAMPLE_SIZE);
			 save_calibration();ComputeK();data_refresh();//mode_flag=0;
			}
			k2_flag = 0;
			led_flag = 1;	//LED灯亮起，以表示当前校准完成
			if(mode_flag==0)led_flag = 0;	//在测量模式下，LED灯保持熄灭
		}
	}
	//K3
	if(GPIO_ReadPin(GPIO_K3,PIN_K3) == GPIO_Pin_RESET)
	{
		k3_flag = 1;
	}
	if(k3_flag == 1)
	{
		if(GPIO_ReadPin(GPIO_K3,PIN_K3) == GPIO_Pin_SET)
		{//松开时执行功能以达消抖目的
			// 回到模式0
			k3_flag = 0;
			led_flag = 0;
			mode_flag = 0;
		}
	}
}

2、数码管显示

数码管的引脚分为段码引脚、位码引脚，使用的数码管发光二极管为共阴设计，通过将相应IO口设为高电平，点亮相应的LED，，再将位码引脚设为低电平（选通相应的数码管）。动态显示时，每个数码管显示相应内容3 ms，轮番点亮，利用人眼的视觉残留，形成“所有数码管常亮”的效果
显示的数字相应段码，可通过将段码引脚从高排到低，确定对应亮起的LED段，在将二进制的段码转为十六进制。

数字“2”的段码

//数码管断码表，从高位到低分别为：E D DP C G A F B----（1表点亮该段LED，共阴码)
const unsigned smg_duanma[12] = {0xd7,0x11,0xcd,0x5d,0x1B,0x5e,0xde,0x15,0xdf,0x5f,0xd3,0x9f}; //0123456789UA
//显示内容缓存区
volatile unsigned char display[6] = {0xd7,0x11,0xcd,0x5d,0x1B,0x5e};

typedef struct
{
	GPIO_TypeDef *GPIOx;
	uint32_t Pins;
}smg_type;
smg_type smg[6] = {{CW_GPIOA,GPIO_PIN_8},{CW_GPIOA,GPIO_PIN_11},{CW_GPIOA,GPIO_PIN_12},{CW_GPIOA,GPIO_PIN_15},{CW_GPIOB,GPIO_PIN_3},{CW_GPIOB,GPIO_PIN_4}};

/******************************************************************
 * 函 数 名 称：smg_disp
 * 函 数 说 明：依次点亮每个数码管
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：
 * 备       注：无
******************************************************************/
void smg_disp(void)
{
	static unsigned char smg_addr = 0;	//记录点亮的数码管位置，实现轮番3ms的显示
	unsigned char i = 0;
	GPIO_WritePin(smg[smg_addr].GPIOx,smg[smg_addr].Pins,GPIO_Pin_SET);	//熄灭当前的数码管
	smg_addr = (smg_addr + 1) % 6;			//将点亮位置移至下一位
	//按照段码设置段码引脚
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if(((display[smg_addr]>>i)&0x01) == 0x01)
		{
			GPIO_WritePin(CW_GPIOA, GPIO_PIN_0<= ADC_SAMPLE_SIZE) //采样 20 次后从 0 开始继续
  {
    adc_count = 0;
  }
}

3、均值滤波

均值滤波也称为线性滤波，其采用的主要方法为邻域平均法。线性滤波的基本原理是用均值代替原图像中的各个像素值，即对待处理的当前像素点（x，y），选择一个模板，该模板由其近邻的若干像素组成，求模板中所有像素的均值，再把该均值赋予当前像素点（x，y），作为处理后图像在该点上的灰度g（x，y），即g（x，y）=∑f（x，y）/m，m为该模板中包含当前像素在内的像素总个数。

这本是数字图像处理的一种方法，但也可以用在数字电压电流表的ADC采样数据上。选取二十次的ADC采样值存储在一个数组中，然后去除掉数组中的最大值和最小值后再取平均，得到的值作为结果显示，这样可以较大程度获得准确的、不易波动的数据。

uint32_t Mean_Value_Filter(uint16_t *value, uint32_t size)     //均值滤波
{
    uint32_t sum = 0;
    uint16_t max = 0;
    uint16_t min = 0xffff;
    int      i;

    for(i = 0; i < size; i++)  //遍历数组找到最大值和最小值
    {
      sum += value[i];
      if(value[i] > max)
      {
        max = value[i];
      }
      if(value[i] < min)
      {
        min = value[i];
      }
    }
    sum -= max + min;         //减去最大和最小值后求平均
    sum  = sum / (size - 2);
    return sum;
}

4、标定

标定是通过测量标准器的偏差来补偿仪器系统误差，从而改善仪器或系统准确度、精度的操作。为了提高电压电流表在测量时的测量精度和准确度，需要对电压电流进行标定校准。

常见的标定原理如下：

假设一个采样系统，AD部分可以得到数字量，对应的物理量为电压（或电流）；

若在“零点”标定一个AD值点Xmin，在“最大处”标定一个AD值点Xmax，根据“两点成一条直线”的原理，可以得到一条由零点和最大点连起来的一条直线，这条直线的斜率k很容易求得，然后套如直线方程求解每一个点X（AD采样值），可以得到该AD值对应的物理量（电压值）：
上图中的斜率k：

k =（Ymax-Ymin）/（Xmax-Xmin）
（因为第一点为“零点”，故上面的Ymin = 0）
所以，上图中任一点的AD值对应的物理量：
y = k×（Xad- Xmin）+0
上面的算法只是在“零点”和“最大点”之间做了标定，如果使用中间的AD采样值会带来很大的对应物理量的误差，解决的办法是多插入一些标定点。
如下图，分别插入了标定点(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4) 四个点：

这样将获得不再是一条直线，而是一条“折现”（相当于分段处理），若欲求解落在x1和x2之间一点Xad值对应的电压值：
y = k×（Xad– X1）+ y1
由上看出，中间插入的“标定点”越多，得到物理值“精度”越高。
在电压电流表测量可以使用“电压电流标定板”“万用表”等配合适合，对采集的电压电流进行标定处理。标定点越多，测量越精确。

//在家里无专用可调电源使用，使用的12V电源适配器供电，因此改为5V与10V校准
//5V与10V 校准
unsigned int X05=0;
unsigned int X10=0;

unsigned int Y10=10;
unsigned int Y05=5;
float K; //斜率

//0.5A与1.5A 校准
unsigned int IX05=0;
unsigned int IX15=0;

unsigned int IY15=150;
unsigned int IY05=50;
float KI; //斜率
/******************************************************************
 * 函 数 名 称：ComputeK
 * 函 数 说 明：计算斜率
 * 函 数 形 参：无
 * 函 数 返 回：无
 * 作       者：
 * 备       注：无
******************************************************************/
void ComputeK(void)
{
	//计算的是第二段的斜率
	K=(Y10-Y05);
	K=K/(X10-X05);
	
	KI=(IY15-IY05);
	KI=KI/(IX15-IX05);
}
void data_refresh(void)
{//将采集到的数据集合标定数据进行计算 	
	float t,KT1;
	
	if(data_refresh_flag == 1)
	{
		data_refresh_flag = 0;
		Voltage_Buffer = Mean_Value_Filter(Voltage_Buffer_High,ADC_SAMPLE_SIZE);
		Current_Buffer = Mean_Value_Filter(Current_Buffer_Num,ADC_SAMPLE_SIZE);
	
		if(Voltage_Buffer>=X05)
		{
			t=Voltage_Buffer-X05;
			Voltage_Buffer=(K*t+Y05)*1000;}
		else
		{ 
			KT1=5000;
			KT1=KT1/X05;
			Voltage_Buffer=KT1*Voltage_Buffer;
		}
		// 四舍五入
		if(Voltage_Buffer % 10 >= 5)
		{
				Voltage_Buffer = Voltage_Buffer / 10 + 1;  //10mV为单位
		}
		else
		{
				Voltage_Buffer = Voltage_Buffer / 10;
		}
			
			
		if(Current_Buffer>=IX05)
		{
			 t=Current_Buffer-IX05;
			 Current_Buffer=(KI*t+IY05)*10;
		}
		else
		{
			KT1=500;
			KT1=KT1/IX05;
			Current_Buffer=KT1*Current_Buffer;
		}
		
		if(Current_Buffer % 10 >= 5)
		{
				Current_Buffer = Current_Buffer / 10 + 1;
		}
		else
		{
				Current_Buffer = Current_Buffer / 10;
		}
		smg_data_handle(Voltage_Buffer,Current_Buffer);
		/*
			R = 100mr
			10ma = mv/R/10=mv/0.1/10 = mv
		*/	
	}
}	

四、实物展示

五、测量展示

1、电压测量

2、“电流测量”
数码管显示的电流示数为将测量到的电压值按1 mV“对应”10 mA的转化关系对应的“电流示数”。

六、演示视频

B站视频