基于 ARM+FPGA 的纳安表总体设计方案研究

摘 要

　　随着现代科技的发展，对微弱电流信号的检测越发重要，其检测技术更是被广泛应用在科学研究、物理学、电磁学等诸多技术领域，对推动相关领域的发展具有重要意义。这样，作为测量用的电流表的地位就显得举足轻重，特别是高精度的微弱电流测量仪更是发挥着极其重要的作用。

　　本课题利用微弱电流检测技术，设计了一款高精度的纳安表，实现了对纳安级微弱电流的高精度测量。

　　论文首先对研究背景和国内外研究现状进行了介绍，然后根据纳安表的设计要求提出了一种基于 ARM+FPGA 的纳安表总体设计方案，并详细介绍了系统的硬件电路设计、软件设计及数据处理方法。本论文的具体工作内容如下：

　　1. 纳安表系统硬件设计。本课题将硬件系统分成若干个功能模块进行单独设计，最后将各功能模块连接成一个完整的硬件系统。硬件电路设计主要包括数据处理及控制电路设计、信号调理电路设计、数据转换电路设计、通讯电路设计等。

　　2. 纳安表系统软件设计。包括上位机的人机交互软件设计和下位机的测量及校准软件设计。

　　3. 系统测试与验证。对测量系统的功能和性能指标进行测试与验证，同时给出系统测试的结果。

　　通过对所研制纳安表的测试，所设计的测量系统能稳定显示，量程手动、自动切换、设备自动连接、系统自检、数据保存、档位校准等系统功能均工作正常，测 量精度、系统底噪、通信等各项指标均满足其性能要求。

　　关键词：微弱电流，高精度，ARM,自动量程切换

ABSTRACT

　　With the development of modern technology, the detection of weak current signals is becoming more and more important. Weak current measurement technology is widely used in many scientific fields such as scientific research, physics, and electromagnetism. In this way, as measured by the ammeter's status has become important, especially the high-precision weak current measuring instrument is playing an extremely important role.

　　A high-precision naancoammeter is designed by use of weak current measurement technology to achieve high-precision measurement of the nanoampere weak current in this paper.

　　Firstly, the research background and development status at home and abroad are introduced. And then the overall design scheme of the naancoammeter based on ARM+FPGA is proposed according to the design requirements of the naancoammeter, and the hardware circuit design, software design and data processing method of the system are introduced in detail. The content of this paper is as follows:

　　1. Hardware design of naancoammeter system. The hardware system is pided intoseveral functional modules for inpidual design, and finally each functional module is connected into a complete hardware system. Hardware circuit design mainly includes data processing and control circuit design, signal conditioning circuit design, data conversion circuit design, communication circuit design, etc.

　　2. Software design of naancoammeter system. Including the human-computer interaction software design of the upper computer and the measurement and calibration software design of the lower computer.

　　3. System testing and verification. the functions and performance indicators of the measurement system are tested and verified, and The results of the system test are given.

　　Naancoammeter developed through the testing, The designed measurement system can display stably, and the system functions such as manual range, automatic switching, automatic device connection, system self-check, data storage, and gear calibration all work normally, and the measurement accuracy, floor noise of system, communication and other items. The index meets its performance requirements.

　　Keywords: weak current, high precision, ARM, automatic range switching

目 录

　　第一章 引言

　　1.1 研究背景和意义

　　现如今，现代科技和测量技术发展迅速，电流信号的测量也显得日益重要，人们对其提出了更高的要求，特别是对微弱电流信号的测量。在物理测量和科学实验中，经常需要测量微安、纳安级的电流信号[1].例如在航天领域，通过测量电路中的微弱电流来计算探测器某段时间内产生的总电离量；在医疗领域，微电流可以促进细胞合成能量，使局部组织的生物电流增强，促进局部组织的快速愈合[2].这些方面，就需要对微弱电流进行准确测量。此外，我国正在加速对加速器束流测量、控制技术的研讨，以使其更好的满足未来的项目需求，其中对加速器束流强度的测量其实就是对微弱电流的测量。再者，实际生活中有许多像小位移、微温差等无法或难以直接测量的微弱信号，通常都是设计相应的传感器先对其采集转换为微弱电流信号再进行测量[2,3],这样就把无法或难以直接测量的物理量转换为了能够或相对容易测量的物理量。

　　微弱电流测量仪作为当今电子测量领域不可或缺的测量仪器之一，应用领域及其广泛。微弱电流测量仪的工作原理一般都是先利用微弱电流检测技术将微弱电流转换为对应的电压信号，然后通过放大电路对转换后的电压进行放大，最后利用 A/D 转换原理将被测量转化成数字量，并将测量结果进行显示。

　　当今市场上的普通万用表一般没有微弱电流测量量程，安捷伦 34401 万用表的最低分辨率也只到 10nA,而具有微弱电流测量功能的专用表一般都很昂贵（上万）。那么针对目前市场上许多测量电流信号，特别是微电流信号的仪器仪表存在精度不高、价格昂贵、适用范围有限的问题，本课题研制了一款基于嵌入式系统的高精度纳安表，适用于许多特定场合的高精度测量，具有精度高、寿命长、成本低、电路简单等优点。它可以测量从纳安级到安级范围的电流信号，共分为 9 个档位，可接受正或负极性直流输入电流。

　　1.2 国内外研究现状

　　微弱电流检测一直是当今电子发展中的一个热门话题，它需要运用电子学、物理学、信息学和计算机技术等诸多领域的方法，将被测信号与噪声分离，提取出有用信号再进行测量，这是一个极其复杂的难题；另外高精度测量的实现对电子元器件的温漂系数、精度等诸多性能提出了更高的要求。这些因素的存在使得微弱电流检测技术的发展极其缓慢。

　　早在 20 世纪 50 年代，霍夫斯塔德（Hafstad）在试验环境下用一个 FP-54 型静电计管就可以对 3×10-19A 的电流进行测量[4].由于在直流放大器输入级中使用了真空管，FP-54 型静电计管的质量非常好，但之后研制出来的一些静电计管在追求廉价的同时，其质量也大幅下降。直到 1949 年，晶体管在直流放大器上的成功运用加快推动了微弱电流检测技术的发展。后来，Chaplin 发表了一台具有 10-9A电流检测能力的晶体管载波调制直流放大器，McCaslin 把低泄漏绝缘栅场效应管运用在普通放大电路中，使其具有测量 10-15A 电流的能力[4].

　　以上提及的对微弱电流的检测都是在实验环境下进行的，一般很难应用到实际的电流检测中。当今随着模拟集成电路与信号检测技术的发展，微弱电流检测技术也得到了进一步的发展。在当今测量仪器的市场上出现了多种不同精度的微弱电流测量仪。根据文献，目前国外对微弱电流的测量精度已低至法安级，国内的测量精度也与国外相差不大。目前市场上典型的微弱电流测量仪的状况如表 1-1 所示。

　　从表 1-1 中可以看出目前国内外微弱电流测量仪的发展水平，但这些仪器价格昂贵限制了它们被广泛使用。

　　1.3 论文研究内容

　　本课题的最终目标是设计一款基于嵌入式系统的纳安表，经设计后的测量系统具有集成度高、灵活性强、易于开发、维护、扩展等特点，能够对输入的低至纳安级的微弱电流，高达安级的电流信号进行高精度测量并显示。此设计的基于嵌入式系统的纳安表分为多个测量档位，通过对被测信号的判断和量程选择器的控制，实现了在高精度仪表中的多个档位量程的灵活调节，既保证了对强信号的测量精度又兼顾了弱信号的测量范围。

　　课题所研究的内容有以下几个方面：

　　1. 如何有效恢复淹没于强背景噪声中的微弱电流信号并将之进行电压转换如何设计合理的低噪声的电流/电压转换电路和选择低噪声、低漂移的元器件都是本课题所研究的主要内容。

　　2. 怎样设计高精度的数据采集系统由于所要求设计的纳安表的测量精度很高，在设计时应特别注重提高测量系统的抗干扰性能和噪声抑制能力，充分发挥所选取的器件的优良性能，提高测量精度。

　　如何提高数据采集系统的测量精度是本课题又一重要的研究内容。

　　3. 如何进行数据处理本课题要求设计的纳安表的测量精度很高，单纯利用硬件设计不能够完全实现如此高的测量精度要求，另外 STM32 芯片的数据处理速度有限，不适合利用其进行 24 位 AD 采集数据处理运算，因此利用 422 总线将 AD 采集的数据传输至计算机，计算机进行大部分的数据处理后再将测量结果进行显示。本文应设计合适的数据处理算法以减少测量误差。

　　4. 如何高效的完成与 PC 机的通讯下位机与 PC 机的通讯在本课题的软件设计中占据着及其重要的的位置。

　　STM32 与 PC 机之间采用的是帧转发机制，PC 机对 PGA 程控增益放大器的增益设置，对继电器的控制（档位选择），对 AD 转换芯片的控制都是具有固定的串口指令帧格式。STM32 和 PC 机之间的通信有目的地址，PC 机发送控制命令帧至STM32,STM32 对命令帧进行解析后做出相应的动作，STM32 以一定的帧格式发 送 AD 采集的数据包至 PC 机，PC 机对数据包进行解析后进行相应的数据处理后显示。每一帧都有固定长度，不同帧的帧长度可能不同。数据帧的格式和发送与接收的逻辑关系都是本课题需重点研究的内容。

　　5. 纳安表功能的完备本课题设计的纳安表除了能测量低至纳安级，高达安级的电流信号，同时应具有档位校准、结果保存、系统自检等功能。另外，根据设计要求纳安表还应该具备设备自动连接、档位自动切换功能。如何高效地完善以上功能也是本文需重点解决的问题。

　　1.4 本文结构安排

　　根据基于嵌入式系统的纳安表的设计功能和性能指标要求，文章的结构安排如下：

　　第一章 引言以电流检测的相关背景为铺垫，引出本课题的研究意义，然后指明本课题的研究内容，最后简述论文结构安排。

　　第二章 纳安表的总体方案设计及相关理论本章先介绍了所设计的纳安表应具备的功能，罗列了所要达到的性能指标，并分析了系统的总体设计思路，然后对本文涉及到关键技术和理论进行介绍，最后重点介绍了系统的硬件设计方案并对系统的软件总体方案进行了简单说明。

　　第三章 纳安表系统硬件设计本章首先介绍了系统硬件总体设计方案，然后将系统硬件分为数据采集接口、信号调理电路、数据转换电路、通讯电路控制电路、电源电路和微弱电流探头七大模块分别进行详细介绍。

　　第四章 纳安表系统软件设计首先简要介绍本课题的软件设计思想，然后结合系统需要实现的功能，分别介绍各功能模块具体的软件实现过程，重点介绍了测量程序和档位校准程序的具体实现。

　　第五章 系统测试与验证本章首先对测试平台进行简单介绍，对纳安表的功能逐一进行试验，并给出试验结果，最后对纳安表的各项性能指标进行测试验证，并给出相应结论。

　　第六章 结论与展望对课题设计中本人完成的工作进行归纳总结，并提出在整个设计过程中本人遇到的问题及接下来的研究重心。

　　第二章 纳安表的总体方案设计及相关理论
　　2.1 系统的功能和性能指标
　　2.2 总体设计方案
　　2.3 微弱电流检测方法概述
　　2.4 噪声分析
　　2.4.1 噪声来源分析
　　2.4.2 噪声特征

　　2.4.3 微弱电流检测技术中对噪声的处理
　　2.5 纳安表硬件总体方案
　　2.5.1 数据处理及控制电路方案
　　2.5.2 调理电路方案
　　2.5.3 数据转换电路方案
　　2.5.4 通讯电路方案
　　2.5.5 电源电路方案
　　2.6 纳安表软件总体方案
　　2.7 本章小结

　　第三章 纳安表系统硬件设计
　　3.1 系统硬件方案
　　3.2 数据采集接口设计
　　3.3 信号调理电路设计
　　3.3.1 I/V 转换电路总体设计
　　3.3.2 程控放大电路设计
　　3.3.3 滤波电路设计

　　3.4 微弱电流探头设计
　　3.4.1 微弱电流/电压转换电路设计
　　3.4.2 EEPROM 数据存取电路设计
　　3.5 数据转换电路设计
　　3.5.1 时钟选择
　　3.5.2 基准电压电路设计

　　3.6 通讯电路设计
　　3.7 控制电路的设计
　　3.7.1 调理通道控制电路设计
　　3.7.2 数字采集控制电路设计
　　3.8 电源电路设计
　　3.9 本章小结

　　第四章 纳安表系统软件设计
　　4.1 软件设计思想
　　4.2 软件设计实现
　　4.2.1 系统主程序
　　4.2.2 软面板的实现
　　4.2.3 测量程序设计

　　4.2.4 测量状态设置程序设计
　　4.2.4.1 测量档位切换程序设计
　　4.2.4.2 模数转换工作模式设计
　　4.2.5 系统通讯协议设计
　　4.2.6 系统设备自动连接设计

　　4.2.7 系统自检设计
　　4.2.8 数据保存设计
　　4.2.9 档位校准设计
　　4.2.10 量程自动切换程序设计
　　4.2.11 数字滤波设计
　　4.3 本章小结

　　第五章 系统测试与验证
　　5.1 测试平台介绍
　　5.2 系统功能测试
　　5.2.1 系统测量及结果显示功能测试
　　5.2.2 系统设备自动连接功能测试
　　5.2.3 系统自检功能测试

　　5.2.4 测量数据保存功能测试
　　5.2.5 量程自动切换功能测试
　　5.3 系统性能指标验证
　　5.3.1 档位精度测试
　　5.3.2 系统底噪测试
　　5.4 本章小结

第六章 结论与展望

　　在工业生产中，电流作为最常用的物理量之一，对它的测量极为重要。随着工业控制日渐精确化和快速化，对测量的精度和广度提出了更高的要求。这样，设计一款高精度的纳安表就显得尤为重要了。

　　本课题主要设计一款基于嵌入式系统的高精度纳安表，实现对低至纳安级的微弱电流信号、高达安级的大电流信号的高精度测量。纳安表硬件的主要组成电路有信号调理电路、数据转换电路、通讯电路、控制电路、电源电路以及微弱电流检测电路。本论文首先对要设计的纳安表进行功能和性能分析，然后根据系统需求阐述纳安表系统的总体设计方案，随后简明扼要地对本论文涉及到的相关理论进行说明，最后对系统的硬件和软件的总体设计方案进行分开详述。第三章和第四章是本论文的关键章节，分别花大量的篇幅对纳安表的硬件和软件设计进行详细阐述。

　　最后第五章是整个测量系统的功能和性能测试说明和测试结果。

　　本人在老师的指导下参与完成了整个测量系统的设计，在整个设计中本人完成的主要工作有：

　　1. 根据设计要求以及前期的方案验证结果，完成纳安表系统的总体方案设计，并细化系统功能给出各功能模块的具体实现方案。

　　2. 根据高精度和宽测量范围的要求，设计完成信号调理电路和数据转换电路的布局、布板、布线和后期调试任务。

　　3. 独立完成对系统电源电路的设计与调试工作。

　　4. 完成大部分软件程序的编写，包括驱动程序、下位机数据采集、处理和发送程序、上位机界面交互控制及数据显示程序等等。同时独立完成下位机与上位机的联调工作。

　　5. 在实验室已有技术的基础上完成对下位机和上位机的通讯协议的设计。

　　6. 完成对微弱电流探头的设计。

　　7. 根据系统功能及性能需求，提出系统验证测试方案，并对系统的各功能进行分别测试，对系统的性能进行验证，完成对测试结果的后期数据处理。

　　本课题总体设计全部完成，设计要求的各系统功能均已实现，性能也达到了本课题的指标要求。但由于个人对整体设计考虑不周以及个人专业能力的不足和经验的欠缺，在以下几个方面还有待做进一步的研究：

　　1. 为减少外界对微弱信号采集的干扰，最好将电路板安装在屏蔽的金属盒内，做好电路板的密封条件。但由于实际条件的限制，本设计中只是将系统硬件装入两个简单的铁盒中做屏蔽作用。对微弱电流探头的屏蔽盒的设计是下一步的重点研究内容。

　　2. 在系统功能上还可以进一步完善，还可以增加一些新的功能，比如以太网数据通信、低频交流电流的测量等。

　　3. 目前国内外微弱电流检测的研究精度已低至 10-16A.本课题设计的纳安表与国内外的许多微弱电流检测仪相比，在功能和性能上依然存在较大的差距，需要做进一步的研究。

致 谢

　　怀着一颗求知与探索的心，硕士研究生三年的学习生涯即将落下帷幕。在此，我首先要感谢的是我的导师胡学海老师，在课题研究方面，是胡学海老师尽心尽力地对我们进行指导，并且训练我们发现问题、认识问题和解决问题的能力。在论文写作方面，是胡学海老师指导我们如何选题，如何进行研究，以及如何撰写论文，在这个过程中，我遇到了很多的困难，都是在胡学海老师的帮助下解决的。在生活中，胡学海老师对我们很关心，从他的身上，我学会了许多待人处事的道理。

　　教研室是一个温馨的大家庭，我要由衷感谢教研室里的每一位亲爱的老师和同学，感谢李力老师、张朋老师和张治国老师在学术上给予我的重大帮助，是他们对科研的热情、对工作的负责态度激励着我不断前行。感谢我的同门杨成、蒋杰，感谢吕蒙师姐、张联德和陈俊师兄在科研和生活上给予我的帮助，使我在科研上少走了许多弯路，他们扎实的专业知识和娴熟的动手能力让我受益匪浅。

　　其次，我要感谢与我志同道合、互帮互助的兄弟们，感谢张文政、黄振华以及程鹏，愿你们前程似锦，我们友谊如初。

　　最后，我要特别感谢我的家人和女朋友，是他们的爱和鼓舞，让我一次次克服困难，继续前行，不断努力探索更美好的未来。

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