电流信号和电压信号传输原理（交流信号-市电电流电压的真有效值测量算法）

几天前，我发表了一篇文章，在文中我介绍了一个不用绝对值电路，而是用运放放大交流输入信号，同时在同相端输入直流，将输入的交流信号的电压抬升到单片机0-3.3V之间的电路。

有几个网页留言说可以计量芯片，就我设计的产品来说，其需要控制的增氧泵数量多；　

如果用计量芯片，则每路增氧泵的控制至少增加5元成本。

而且计量芯片还需要一些限流电阻、滤波电容、晶振等外围器件，会占用大量的PCB板面积。

所以，我所选用的是非常有竞争力的技术方案。

但是，需要非常深厚的软、硬件功底。

特别是对于软件，需要解决：

1) MCU资源分配问题，怎么样有限的MCU的ROM、RAM以及算力在A/D转换、真有效值计算、故障判断及保护、4g通信上做合理的安排。

2) A/D转换，怎么样进行16路A/Ｄ的转换，如何触发，怎么分时采样，采样结果怎么存储。

3) 数据处理，转换得到的数据如何做真有效值计算，如何标定。

我选用了STM32F103RCT6处理器，该款MCU主要有以下资源：

256Kbytes ROM空间，4K用于bootloader, 100K是应用程序区，100K用的固件升级时的固件存储；剩下的52K用于配置参数存储(比如标定参数，用户编写的程序等)。

64Kbytes RAM空间，4Kbytes用作与4G模块通信的接收环形队列，1Kbytes通信接收缓存。

2Kbytes为发送缓存。2Kbytes用于MODBUS通信，2Kbytes用于ADC的DMA缓存。RAM远用不完。

DMA用到3个通道，一个通道用于A/D转换，一个通道用于与4G模块的串口接收，一个用于与4G模块的串口发送。

Timer用了若干，其中一个用于A/D转换的触发，一个用来产生2ms, 8ms, 100ms, 1s等时基。

ADC用了16个通道，采用"Regular group"功能进行转换。

中断方面，使能了100us左右的中断，用于产生时间，以前耗时时间短的需要立即处理的事件。

比如modbus接收和发送超时计时。

由于复用以前的RS485代码，RS485的通信没有用DMA，而是用发送和接收中断处理。

但是发送和接收中断只搬运数据，而没有任何逻辑处理，因此所有中断加一起耗时不到10us，保证了主程序的实时性。

1) 市电周期为20ms，对于每一个通道，在一个周期内共采样64个点。

一次采样的时间为：312.5us。

2) 将ADC设置为定时器触发，触发周期为312.5us，将全部16个通道设置为"Regular group“，使能"Regular group"转换功能。

这样定时器每隔312.5us触发启动A/D，A/D模块自动转换完所有16个通道。

3) 设置DMA，利用DMA模块将结果搬移到缓存。

4) 主程序实时查询DMA的缓存，判断是否有新的转换数据，如果有，则将数据取数，根据数据所在的指针位置判断所在的通道，再对该值做真有效值计算）。

真有效值均方根值，即每次转换出来的数值跟平均值做运算，推导过程如下：

真有效值计算公式(少乘了Ｎ）

定义两个64位的变量，用于累加每一次转换的AD值，以及AD的平方值。

在一个周期64点转换完成之后，经过下述算式算出AD值的真有效值：

1) AD的平方值的累加值－AD值的累加值＊AD值的累加值/N

2) 第1步算出的数值除以N

3) 第2步片出的数值开方；

真有效值计算程序

上述步骤算出的是AD值的有效值，而非真实物理量的有效值，要得到物理量的有效值，还需要进行标定转换。

我一般采用线性标定进行转换，即物理量＝k*AD b，为了避免耗时的浮点数运算，

我将k转为乘以整数除以另一个整数。

如果线性度比较差，我会采用分段线性化的方法，即根据AD范围分多段区间进行标定。

标定过程以及分段线性化由一个专门的软件模块完成，后面文章再详述。