產(chǎn)品實物：

一、產(chǎn)品概述

數(shù)字電壓電流表，又稱為數(shù)顯電流電壓表，是以數(shù)字形式顯示，能夠同時檢測電流和電壓兩種電參量的儀表。隨著數(shù)字技術(shù)和微電腦技術(shù)的不斷發(fā)展，這類儀表以芯片為核心，廣泛應用于工業(yè)自動化和工控領(lǐng)域。

數(shù)字電壓電流表通常與各種傳感器、變送器配合使用，用于測量電量、壓力、物位、液位、流量、溫度等參數(shù)，并直接以數(shù)字形式顯示測量結(jié)果。例如，它可以用于測量各種電路元件的電壓，如電源電壓、電容電壓、電感電壓等。此外，在電子設備的維修與調(diào)試中，數(shù)字電壓電流表也發(fā)揮著重要作用，通過測量電路中的電壓，技術(shù)人員可以判斷電子元件、電路板的工作狀態(tài)，快速定位故障點，提高維修效率。

與指針式儀表相比，數(shù)字電壓電流表具有很高的輸入阻抗，使得其自身損耗很小，無需對其損耗誤差進行修正。然而，數(shù)字儀表也存在一些不足之處，如在某些特定應用場景下可能不如指針式儀表直觀。

總的來說，數(shù)字電壓電流表以其高準確度、直觀性、自動化和多功能性等特點，在電力、電子、通信、自動化控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，并為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員提供了強大的工具，幫助他們更高效地進行設備的測量、調(diào)試和維修工作。

二、主控MCU選擇

本方案采用CW32F003E4P7芯片片作為核心控制單元，負責整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制。

CW32003E4P7的產(chǎn)品特性如下：

? 內(nèi)核：ARM? Cortex?-M0+

- 最高主頻 48MHz

? 工作溫度：-40℃至 105℃；工作電壓：1.65V 至 5.5V

? 存儲容量

- 最大 20K 字節(jié) FLASH，數(shù)據(jù)保持 25 年 @85℃

- 最大 3K 字節(jié) RAM，支持奇偶校驗

-22 字節(jié) OTP 存儲器

? CRC 硬件計算單元

l 復位和電源管理

- 低功耗模式（Sleep，DeepSleep）

- 上電和掉電復位（POR/BOR）

- 可編程低電壓檢測器（LVD）

? 時鐘管理

- 內(nèi)置 48MHz RC 振蕩器

- 內(nèi)置 32kHz RC 振蕩器

- 內(nèi)置 10kHz RC 振蕩器

- 內(nèi)置 150kHz RC 振蕩器

- 外部引腳輸入時鐘

- 允許獨立關(guān)斷各外設時鐘

? 支持最多 21 路 I/O 接口

- 所有 I/O 口支持中斷功能

- 所有 I/O 支持中斷輸入濾波功能

? 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

- 12 位精度，±1 LSB

- 最高 1M SPS 轉(zhuǎn)換速度

- 內(nèi)置電壓參考

- 模擬看門狗功能

- 內(nèi)置溫度傳感器

? 雙路電壓比較器

? 定時器

- 16 位高級控制定時器，支持 6 路捕獲 / 比較通道和 3 對互補 PWM 輸出，死區(qū)時間和靈活的同步功能

- 一組 16 位通用定時器

- 三組 16 位基本定時器

- 窗口看門狗定時器

- 獨立看門狗定時器

? 通信接口

- 兩路低功耗 UART，支持小數(shù)波特率

- 一路 SPI 接口 12Mbit/s

- 一路 I2C 接口 1Mbit/s

- IR 調(diào)制器

? 串行調(diào)試接口 (SWD)

三、方案組成框圖設計

四、參數(shù)功能列表

(1) 電壓測量范圍：0-33V。(2) 電流測量范圍：0-3A。(3) 顯示分辨率：電壓0.01V，電流0.01A。 (4) 測量精度：電壓±0.02V，電流±0.02A。(5) 工作溫度：-20℃~100℃。(6) 顯示方式：雙排3位數(shù)碼管顯示，實時顯示當前電壓和電流。（響應時間≤0.2秒）(7) 顯示分辨率：3位數(shù)字顯示。根據(jù)輸入量程，自動換檔，以盡量兼顧顯示分辨率及測量精度。(8) 有儀表的標定和校準功能。（利用按鍵或藍牙）五

方案主要硬件設計

1.電壓檢測:

通過適當?shù)姆謮弘娐罚瑢⒋郎y電壓降低到CW32芯片可接受的范圍內(nèi)，然后接入CW32的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進行數(shù)字化處理。數(shù)字電壓電流表的采樣電路原理圖如下圖所示，

分壓電阻為220K+10K，因此分壓比例為22:1。

如果使用1.5V作為參考電壓，根據(jù)R8和R7的阻值配比可以得到最高采樣電壓為：

1.5 / 10 * （220 + 10）= 34.5V因此可以滿足33V的輸入范圍要求。如果在實際使用中，需要測量的電壓或高于模塊33V的設計電壓，可以選擇更換分壓電阻或通過修改基準電壓來實現(xiàn)更大量程的電壓測量范圍?？紤]到被測電源可能存在波動，在電路設計時，在低側(cè)分壓電阻上并聯(lián)了0.1uF的濾波電容提高測量穩(wěn)定性。另外，在產(chǎn)品設計中，考慮精度問題，電阻選擇千分之一精度。

2. 電流檢測：

采用低側(cè)電流采樣電路進行電流檢測，采樣電路的低側(cè)與表頭供地。

本項目設計的采樣電流為3A，選擇的采樣電阻為100mΩ。

采樣選型主要需要參考以下幾個方面：

設計測量電流的最大值，本項目中為3A；

(1) 檢流電阻帶來的壓差，一般不建議超過0.5V；

(2) 檢流電阻的功耗，應當根據(jù)該參數(shù)選擇合適的封裝，本項目考慮到PCB尺寸，選擇了2512封裝；

(3) 檢流電阻上電壓的放大倍數(shù)：本項目中沒有使用放大電路，因此倍率為1。

隨后便可以通過以上參數(shù)計算出檢流的阻值選擇：

(1) 由于本項目沒有使用放大電路，因此需要選擇更大的采樣電阻獲得更高的被測電壓以便于進行測量；

(2) 考慮到更大的電阻會帶來更大的壓差、更高的功耗，因此也不能無限制的選擇更大的電阻；

(3) 本項目選用了2512封裝的電阻，對應的溫升功率為1W。

綜合以上數(shù)據(jù)，本項目選擇了100mΩ的檢流電阻，根據(jù)公式可以計算出3A*100mΩ=300mV,900mW。表頭在設計時考慮到了貼片采樣電阻不能夠應對不同的使用環(huán)境，尤其是電流較大的場景，因此預留了10mm間距的康銅絲直插焊盤，可以更具實際使用場景，使用康銅絲替換貼片采樣電阻。下圖中紅色方框框選出的即是康銅絲焊接焊盤。

3. 藍牙通訊電路:

使用KT6368A作為藍牙主控芯片。

只需要通過藍牙進行數(shù)據(jù)透傳，也就是通過藍牙把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，便于用戶通過手機或電腦對被測電壓電流進行無線監(jiān)控，不需要其他復雜功能，因此本項目中選擇了外圍電路極其簡單的KT6368A，只需要使用單芯片+晶振便可實現(xiàn)BLE通信，同時該芯片為雙模芯片，還可以支持SPP通信。

為了降低項目成本，模塊采用了PCB板載天線替代外接天線或陶瓷天線，在室內(nèi)環(huán)境依舊可以保持良好的通信效果，若實際使用場景對通信距離有要求，可根據(jù)實際情況改為不同的天線類型。

4. 另外還有數(shù)碼管顯示電路、電源設計電路、按鍵電路、最小系統(tǒng)電路等。這里不再一一描述。

六、軟件重點編輯思想

1. 數(shù)碼管動態(tài)掃描:

數(shù)碼管顯示的動態(tài)掃描原理如下：顯示器中所有數(shù)碼管在系統(tǒng)控制下有序逐位點亮，每位數(shù)碼管的點亮時間為1到2微秒。利用人體視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管余輝效應，各位數(shù)碼管并非同時點亮，但掃描速度足夠快，從而一組穩(wěn)定不閃爍顯示數(shù)據(jù)。

在程序中，使用定時器定時掃描每位數(shù)碼管。

定時時中斷定時執(zhí)行如下代碼，以實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)掃描。注意定時器定時時間要足夠短，比如1MS.

Close_Com();  //先關(guān)閉公共端,防止重影
  Seg_Dis(num,Seg_Reg[num]);  //開斷碼，然后開位碼。
  num++;  //切換數(shù)碼管位數(shù)
  if(num > 6)
  {
    num = 0;
  }

2. 數(shù)據(jù)采集處理 :

CW32F003 內(nèi)部集成一個 12 位精度、最高 1M SPS 轉(zhuǎn)換速度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (SAR ADC)，最多可將 16 路模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號?，F(xiàn)實世界中的絕大多數(shù)信號都是模擬量，如光、電、聲、圖像信號等，都要由 ADC 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能由 MCU 進行數(shù)字化處理。

在本系統(tǒng)中，需要采信2路AD，電壓及電流。因此，選用ADC的序列采樣連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。序列連續(xù)轉(zhuǎn)換模式可對最多四個序列的通道進行輪流轉(zhuǎn)換。更多轉(zhuǎn)換原理，可參考芯片用戶手冊。

ADC初始化代碼如下 ：

void ADC_init(void)
{
    ADC_InitTypeDef     ADC_InitStructure;         //ADC配置結(jié)構(gòu)體
    ADC_SerialChTypeDef ADC_SerialChStructure;     //ADC序列通道結(jié)構(gòu)體
    GPIO_InitTypeDef    GPIO_Init_Struct;
  
    __RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); //打開ADC對應引腳時鐘   
    __RCC_ADC_CLK_ENABLE();   // 打開ADC時鐘
  
    GPIO_Init_Struct.IT   = GPIO_IT_NONE;
    GPIO_Init_Struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;//將GPIO的模式配置成模擬功能
    GPIO_Init_Struct.Pins = GPIO_PIN_1;      // PB01是電壓采集引腳
    GPIO_Init(CW_GPIOB, &GPIO_Init_Struct);
    PB01_ANALOG_ENABLE();                    //使能模擬引腳
    PB05_ANALOG_ENABLE(); 
  
    ADC_StructInit(&ADC_InitStructure);      // ADC默認值初始化
    ADC_InitStructure.ADC_ClkDiv     = ADC_Clk_Div128; //ADC工作時鐘配置 PCLK/4 = 6/4 = 1.5Mhz
  
/*信號電壓較低時，可以降低參考電壓來提高分辨率。改變參考電壓后，同樣二進制表示的電壓值就會不一樣，
  最大的二進制（全1）表示的就是你的參考電壓，在計算實際電壓時，就需要將參考電壓考慮進去。*/
    ADC_InitStructure.ADC_VrefSel    = ADC_Vref_BGR1p5;     //參考電壓設置為1.5V
    ADC_InitStructure.ADC_SampleTime = ADC_SampTime10Clk;   //由于電壓信號為慢速信號，ADC采樣時間為十個ADC采樣周期以確保準確

     ADC_SerialChStructure.ADC_Sqr0Chmux  = ADC_SqrCh9;      //配置ADC序列，PB01是ADC的第9通道
    ADC_SerialChStructure.ADC_Sqr1Chmux  = ADC_SqrCh11;
    ADC_SerialChStructure.ADC_SqrEns     = ADC_SqrEns01;
    ADC_SerialChStructure.ADC_InitStruct = ADC_InitStructure; //ADC初始化
    
    ADC_SerialChContinuousModeCfg(&ADC_SerialChStructure);   //ADC序列連續(xù)轉(zhuǎn)換模式配置
    ADC_ClearITPendingAll();           //清除ADC所有中斷狀態(tài)
    ADC_Enable();                      // ADC使能
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ENABLE);  //ADC轉(zhuǎn)換軟件啟動命令
}

3. 數(shù)據(jù)濾波處理:由于采集到的原始數(shù)據(jù)有一定的波動，因此在顯示更新速度較快時，數(shù)字有跳動現(xiàn)象。

在數(shù)據(jù)處理前，可以增加常見的均值濾波算法。

均值濾波也稱為線性濾波，其采用的主要方法為鄰域平均法。線性濾波的基本原理是用均值代替原圖像中的各個像素值，即對待處理的當前像素點（x，y），選擇一個模板，該模板由其近鄰的若干像素組成，求模板中所有像素的均值，再把該均值賦予當前像素點（x，y），作為處理后圖像在該點上的灰度g（x，y），即g（x，y）=∑f（x，y）/m，m為該模板中包含當前像素在內(nèi)的像素總個數(shù)。

這本是數(shù)字圖像處理的一種方法，但也可以用在我們數(shù)字電壓電流表的ADC采樣數(shù)據(jù)上。我們選取一定次數(shù)的ADC采樣值存儲在數(shù)組 Volt_Buffer 中，然后去除掉數(shù)組中的最大值和最小值后再取平均，得到的值作為結(jié)果顯示在數(shù)碼管上，這樣可以較大程度獲得準確的、不易波動的數(shù)據(jù)。

均值濾波代碼如下：

uint32_t Mean_Value_Filter(uint16_t *value, uint32_t size)     //均值濾波
{
    uint32_t sum = 0;         //ADC采樣數(shù)據(jù)和
    uint16_t max = 0;
    uint16_t min = 0xffff;    //min初值取最大是為了將第一個數(shù)據(jù)記錄
    int      i;

    for(i = 0; i < size; i++)
    {
        sum += value[i];
        if(value[i] > max)
        {
            max = value[i];
        }
        if(value[i] < min)
        {
            min = value[i];
        }
    }
    sum -= max + min;       //去除最大最小值
    sum  = sum / (size - 2);
    return sum;
}

4. 數(shù)據(jù)標定:

標定是通過測量標準器的偏差來補償儀器系統(tǒng)誤差，從而改善儀器或系統(tǒng)準確度、精度的操作。為了提高電壓電流表在測量時的測量精度和準確度，需要對電壓電流進行標定校準。

常見的標定原理如下：

假設一個采樣系統(tǒng)，AD部分可以得到數(shù)字量，對應的物理量為電壓（或電流）；

① 若在“零點”標定一個AD值點Xmin，在“最大處”標定一個AD值點Xmax，根據(jù)“兩點成一條直線”的原理，可以得到一條由零點和最大點連起來的一條直線，這條直線的斜率k很容易求得，然后套如直線方程求解每一個點X（AD采樣值），可以得到該AD值對應的物理量（電壓值）：

上圖中的斜率k：

k =（Ymax-Ymin）/（Xmax-Xmin）

（因為第一點為“零點”，故上面的Ymin = 0）所以，上圖中任一點的AD值對應的物理量：

y = k×（Xad- Xmin）+0

② 上面的算法只是在“零點”和“最大點”之間做了標定，如果使用中間的AD采樣值會帶來很大的對應物理量的誤差，解決的辦法是多插入一些標定點。

如下圖，分別插入了標定點(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4) 四個點：

這樣將獲得不再是一條直線，而是一條“折現(xiàn)”（相當于分段處理），若欲求解落在x1和x2之間一點Xad值對應的電壓值：y = k×（Xad– X1）+ y1由上看出，中間插入的“標定點”越多，得到物理值“精度”越高。在電壓電流表測量可以使用“電壓電流標定板”“萬用表”等配合適合，對采集的電壓電流進行標定處理。標定點越多，測量越精確。參考例程中，使用了3點標定。其中，電壓標定點為0V、5V、15V。電流標定點為0A、0.5A、1.5A。

標定代碼如下：

void Volt_Cal(void)
{   
  float t,KT1;
  
  V_Buffer = Mean_Value_Filter(Volt_Buffer,ADC_SAMPLE_SIZE);//使用均值濾波
  I_Buffer = Mean_Value_Filter(Curr_Buffer,ADC_SAMPLE_SIZE); //使用均值濾波
  
  if(V_Buffer>=X05)  //
  {
    t=V_Buffer-X05;
    V_Buffer=(K*t+Y05)*1000;}
  else
  { 
    KT1=5000;
    KT1=KT1/X05;
    V_Buffer=KT1*V_Buffer;
  }
  // 四舍五入
    if(V_Buffer % 10 >= 5)
    {
        V_Buffer = V_Buffer / 10 + 1;
    }
    else
    {
        V_Buffer = V_Buffer / 10;
    }
    
    
  if(I_Buffer>=IX05)
  {
     t=I_Buffer-IX05;
     I_Buffer=(KI*t+IY05)*10;
  }
  else
  {
    KT1=500;
    KT1=KT1/IX05;
    I_Buffer=KT1*I_Buffer;
  }
  
  if(I_Buffer % 10 >= 5)
    {
        I_Buffer = I_Buffer / 10 + 1;
    }
    else
    {
        I_Buffer = I_Buffer / 10;
    }
  //  I_Buffer=I_Buffer * ADC_REF_VALUE >> 12;
     /**
        mv =I_Buffer * ADC_REF_VALUE >> 12,
        R = 100mr,
        10ma = mv/R/10=mv/0.1/10 = mv
     */  
}  

5. 標定操作實現(xiàn):

具體操作方法如下：

定義5個工作模式，點按按鍵切換工作模式，長按3S設置對應模式下的參數(shù)值，并保存到FLASH：

模式0：顯示正常的電壓電流值（上一排數(shù)碼管顯示電壓值*.**V或**.*V自動切換，下一排顯示電流值，*.**A）

模式1：電壓5V標定值設置。上一排數(shù)碼管顯示S.05. 。下一排顯示當前電壓值*.**V或**.*V。當長按3S 按鍵時，將當前值標定為5V電壓值。

模式2：電壓15V標定值設置。上一排數(shù)碼管顯示S.15. 。下一排顯示當前電壓值*.**V或**.*V。當長按3S 按鍵時，將當前值標定為15V電壓值。

模式3：電流0.5A標定值設置。上一排數(shù)碼管顯示A.0.5。下一排顯示當前電流值*.**A。當長按3S 按鍵時，將當前值標定為0.5A電流值。

模式4：電流1.5A標定值設置。上一排數(shù)碼管顯示A.1.5。下一排顯示當前電流值*.**A。當長按3S 按鍵時，將當前值標定為1.5A電流值

七、優(yōu)化與調(diào)試

1. 精度優(yōu)化：可選擇合適的電阻、電容等元件，以及優(yōu)化ADC的采樣率和分辨率，來提高電壓和電流的測量精度。

2. 穩(wěn)定性優(yōu)化：可對電源管理電路和防反接電路進行優(yōu)化設計，確保系統(tǒng)在各種工作環(huán)境下都能穩(wěn)定運行。

3. 軟件調(diào)試：通過調(diào)試工具對軟件進行調(diào)試和優(yōu)化，確保數(shù)據(jù)采集、處理和顯示等功能的正確性和穩(wěn)定性。

4. 數(shù)據(jù)分析：在特殊應用場合，可根據(jù)實際信號的干擾情況進行算法的改過或選擇。

審核編輯 黃宇