CN207717868U - 一种基于stm32的开关式电感测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于STM32的开关式电感测量仪，属于电子测试技术领域，包括壳体、控制系统和散热器，控制系统包括主控制器、算法逻辑模块、软件仿真及拟合模块、数据存储模块、人机交互模块和开关，开关分别与驱动模块、电感充放电模块和恒流源电连接，主控制器与检测模块连接，主控制器控制电感充放电模块的充电和放电，检测模块将测量数据发送至主控制器，算法逻辑模块和软件仿真及拟合模块进行分析和计算，并将信息显示在人机交互模块上。本实用新型通过测量电感放电的时间从而计算出电感的感值，方法独特，具有很高的创新价值，设计简单，体积小巧，操作方便，成本低廉，速度快，具有很强的抗干扰能力。

Description

一种基于STM32的开关式电感测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种电感测量仪，特别是涉及一种基于STM32的开关式电感测量仪，属于电子测试技术领域。

背景技术

电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件，又称扼流器、电抗器、动态电抗器，电感器的作用是阻止电流的变化，如果电感器中没有电流通过，则它阻止电流流过它；如果有电流流过它，则电路断开时它将试图维持电流不变。它具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性，频率越高，线圈阻抗越大。因此，电感器的主要功能是对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。电感器在电子线路中应用广泛，为实现振荡、调谐、耦合、滤波、延迟、偏转的主要元件之一，在电路中主要起到滤波、振荡、延迟、陷波等作用，还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。电感在电路最常见的作用就是与电容一起，组成LC滤波电路。电容具有“阻直流，通交流”的特性，而电感则有“通直流，阻交流”的功能。如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路，那么，交流干扰信号将被电容变成热能消耗掉；变得比较纯净的直流电流通过电感时，其中的交流干扰信号也被变成磁感和热能，频率较高的最容易被电感阻抗，这就可以抑制较高频率的干扰信号。

就目前发展状况来说，电感测量技术已经发展很久，方法众多。目前市面上测量电感L的仪表种类较多，方法和优缺点也各有不同，对电感器交流参数进行测量的仪表主要有传统模式和数字模式两大类，但都各有利弊。当今电子测试领域，电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。尽管本土测试测量产业得到了快速发展，但客观地说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后，测试在整个产品流程中的地位偏低。由于人们的传统观念的影响，我国多数电感测量仪器仍然采用电桥法测量、谐振法测量、电压比例法和电感-周期转换法等，测量过程繁琐且体积庞大不方便携带，然而电感测量主要是在一定频率的正弦波激励下才能完成。而现在的电感很多用于DC-DC变换器或开关电源上，工作于开关状态而非正弦激励状态，不能准确的反映出电感的开关特性的测试方法，为此我们必须设计出一种在开关中能够测量电感值的电路。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是为了提供一种基于STM32的开关式电感测量仪，通过采用开关方式控制恒流源双向电感充放，利用电感恒压放电时电流线性变化，通过测量电感放电的时间从而计算出电感的感值。

本实用新型的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种基于STM32的开关式电感测量仪，包括壳体及设置在所述壳体内的控制系统和散热器，所述散热器用于对所述控制系统进行散热，所述控制系统包括主控制器及分别与所述主控制器电连接的算法逻辑模块、软件仿真及拟合模块、数据存储模块、人机交互模块和开关；所述开关分别与驱动模块、电感充放电模块和恒流源电连接；所述驱动模块还与所述主控制器电连接；所述主控制器与所述开关之间连接有检测模块；所述主控制器分别控制所述恒流源对所述电感充放电模块进行充电和放电，所述检测模块将所述电感充放电模块放电时的测量数据发送至所述主控制器，所述主控制器将接收到的信号发送给所述算法逻辑模块和所述软件仿真及拟合模块，所述算法逻辑模块和所述软件仿真及拟合模块分别进行分析和计算，并将信息显示在所述人机交互模块上。

优选的方案是，所述主控制器、所述算法逻辑模块和所述软件仿真及拟合模块均设置在所述散热器上，所述数据存储模块、所述检测模块和所述驱动模块均设置在所述壳体的底部。

在上述任一方案中优选的是，所述人机交互模块设置在所述壳体的上部，所述人机交互模块上设有透明保护盖，所述透明保护盖为非金属透明保护盖。

在上述任一方案中优选的是，所述主控制器还分别与电源模块和输入模块电连接，所述电源模块用于为所述主控制器供电，所述输入模块用于外接数据输入。

在上述任一方案中优选的是，所述壳体上设有选择旋钮和指示灯，所述开关也设置在所述壳体上，所述壳体的侧边设有散热窗和外接数据接口，所述散热窗设置在所述散热器对应的位置，所述外接数据接口与所述输入模块连接。

在上述任一方案中优选的是，所述主控制器采用STM32作为主控芯片，具有32位微控制器，采用ARM Cortex M3内核。

在上述任一方案中优选的是，所述人机交互模块采用LCD触摸屏作为显示界面和人机操作的接口，用于实现在测量中对不同的电感类型的选择以及对未知的电感参数的采集与测量。

在上述任一方案中优选的是，所述数据存储模块选用I2C接口的AT24C256，用于保存不同类型的电感计算数据公式，防止因系统掉电而丢失信号数据。

在上述任一方案中优选的是，所述软件仿真及拟合模块利用MATLAB进行数据拟合和仿真，针对数据拟合和仿真结果进行分析，根据测量的tD和内阻r 得出最终测量出不同类型电感Lx的逻辑关系式。

在上述任一方案中优选的是，所述算法逻辑模块采用模块化编程，运用C 语言分别编写每个模块程序，并各自独立调试，然后建立模块间的联系，使其协调工作。

本实用新型的有益技术效果：

1、按照本实用新型的基于STM32的开关式电感测量仪，本实用新型提供的基于STM32的开关式电感测量仪，采用开关方式控制恒流源双向电感充放，利用电感恒压放电时电流线性变化这一特点，通过测量电感放电的时间从而计算出电感的感值，方法独特，具有很高的创新价值。

2、按照本实用新型的基于STM32的开关式电感测量仪，本实用新型提供的基于STM32的开关式电感测量仪，ARM单片机的芯片用STM32，主频从可以达到72MHz，具有很高的测量分辨率。

3、按照本实用新型的基于STM32的开关式电感测量仪，本实用新型提供的基于STM32的开关式电感测量仪，设计简单，体积小巧，操作方便，成本低廉，速度快，具有很强的抗干扰能力，相对测量精度为2％，并有很好的可集成性。

附图说明

图1为按照本实用新型的基于STM32的开关式电感测量仪的一优选实施例的整体结构示意图；

图2为按照本实用新型的基于STM32的开关式电感测量仪的一优选实施例的内部结构示意图；

图3为按照本实用新型的基于STM32的开关式电感测量仪的一优选实施例的经过二极管放电的测量电感值的原理图；

图4为按照本实用新型的基于STM32的开关式电感测量仪的一优选实施例的算法逻辑模块工作流程图。

图中：1-主控制器，2-算法逻辑模块，3-软件仿真及拟合模块，4-电源模块， 5-数据存储模块，6-输入模块，7-人机交互模块，8-检测模块，9-开关，10-驱动模块，11-电感充放电模块，12-恒流源，13-壳体，14-透明保护盖，15-散热窗， 16-外接数据接口，17-散热器，18-选择旋钮，19-指示灯。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本实用新型的技术方案，下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1和图2所示，本实施例提供的一种基于STM32的开关式电感测量仪，包括壳体13及设置在所述壳体13内的控制系统和散热器17，所述散热器17用于对所述控制系统进行散热，所述控制系统包括主控制器1及分别与所述主控制器1电连接的算法逻辑模块2、软件仿真及拟合模块3、数据存储模块5、人机交互模块7和开关9；所述开关9分别与驱动模块10、电感充放电模块11和恒流源12电连接；所述驱动模块10还与所述主控制器1电连接；所述主控制器1与所述开关9之间连接有检测模块8；所述主控制器1分别控制所述恒流源 12对所述电感充放电模块11进行充电和放电，所述检测模块8将所述电感充放电模块11放电时的测量数据发送至所述主控制器1，所述主控制器1将接收到的信号发送给所述算法逻辑模块2和所述软件仿真及拟合模块3，所述算法逻辑模块2和所述软件仿真及拟合模块3分别进行分析和计算，并将信息显示在所述人机交互模块7上。

进一步的，在本实施例中，如图1和图2所示，所述主控制器1、所述算法逻辑模块2和所述软件仿真及拟合模块3均设置在所述散热器17上，所述数据存储模块5、所述检测模块8和所述驱动模块10均设置在所述壳体13的底部；所述人机交互模块7设置在所述壳体13的上部，所述人机交互模块7上设有透明保护盖14，所述透明保护盖14为非金属透明保护盖；所述主控制器1还分别与电源模块4和输入模块6电连接，所述电源模块4用于为所述主控制器1供电，所述输入模块6用于外接数据输入；所述壳体13上设有选择旋钮18和指示灯19，所述开关9也设置在所述壳体13上，所述壳体13的侧边设有散热窗 15和外接数据接口16，所述散热窗15设置在所述散热器17对应的位置，所述外接数据接口16与所述输入模块6连接。

进一步的，在本实施例中，如图2所示，所述主控制器1采用STM32作为主控芯片，具有32位微控制器，采用ARM Cortex M3内核；所述人机交互模块 7采用LCD触摸屏作为显示界面和人机操作的接口，用于实现在测量中对不同的电感类型的选择以及对未知的电感参数的采集与测量；所述数据存储模块5 选用I2C接口的AT24C256，用于保存不同类型的电感计算数据公式，防止因系统掉电而丢失信号数据。

进一步的，在本实施例中，如图4所示，所述软件仿真及拟合模块3利用 MATLAB进行数据拟合和仿真，针对数据拟合和仿真结果进行分析，根据测量的tD和内阻r得出最终测量出不同类型电感Lx的逻辑关系式；所述算法逻辑模块2采用模块化编程，运用C语言分别编写每个模块程序，并各自独立调试，然后建立模块间的联系，使其协调工作。

进一步的，在本实施例中，采用开关以恒流源向电感充电，只经过二极管放电的测量电感值的原理如图3所示，S和D构成互补开关，S闭合时电流源Is 向被测电感充电，时间足够长使电感中的电流达到稳定值i＝Is，而且有磁通链ψ＝LxIs，uL＝DCR×Is。由于被测电感的性质，充电初期i是变化的，Is是恒流源，充电后期达到的平稳状态是恒流源性质，这样uL是自由可变的。

由于被测电感的性质，充电初期i是变的，Is是恒流源，充电后期达到的平稳状态是恒流源性质，这样uL是自由可变的。S断开时，电感中储存的磁通链对应的电动势经二极管D放电，这时的电感电压是二极管D的正向压降u_L＝-U_DP，如果不考虑电压的符号，对应的电感电流从I1下降到I2所释放的磁通链为Δψ＝L_x(I₁-I₂)＝U_DP·t_D，所以有如下关系式：

公式(1)为在不考虑电感内阻时所得出的结论，但是当测量铜线绕制的空心电感线圈、PCB板等电感材料时其内部会有微弱的电阻值，相应的S断开时，电感中储存的磁通链对应的电动势会同时对其内阻和二极管D放电；此时有，此时则有uL＝－(uDP+ur)。

根据公式(1)可推导出：

其中tD是二极管稳定正向导通的时间段，当Is一定时，I1是确定的；当D 一定时，I2也是确定的，并且要求放电电流是线性下降的，这用示波器可以看到。uDP、I1和I2为常数，则测量出tD和r就可计算出电感值Lx。过了这段时间，磁场能量不足以击穿D的PN结，与二极管D的结电容构成LC阻尼振荡，直至磁场能量释放完毕。

适当的设置S的开关周期和占空比保证充电时间足够长，以致充电达到稳定状态，只要放电时间大于tD就可以用检测模块及单片机测量出tD，再用式(2) 计算出电感值Lx。测量电路中的电感值，只在几秒钟便完成，但要做成开关式电感测量仪，其电感长期工作在一个方向的励磁，将会出现剩磁并影响仪器对其的测量精度，因而要采用双向充电的方式如图3，其中S1—S4构成对电感Lx 的双向充放电的开关，开关逻辑如表1所示。

表1双向充电开关逻辑

S4	S3	S2	S1	u1	u2	状态
							1	0	0	1	0	0	正向充电
1	0	0	0	1	0	正向放电
							0	1	1	0	0	0	反向充电
0	0	1	0	0	1	反向放电

其中u1和u2分别是输出使能信号，也就是在放电时才允许输出，以便测量二极管D2或D4的正向导通时间tD，该时间tD的长短与电感值的大小成正比。与单方向时一样，要求充电时间足够长(长于电感电流i等于恒流源电流Is 所需的时间)，最后测量出的放电时间tD，经过计算后就可得到相应的电感值 Lx。

进一步的，在本实施例中，恒流源是关键，开关式电感测量仪的测试原理上分析可知恒流源是电路上不可缺少的一部分，恒流源输出电流的稳定与否决定了电感测量的精确度，电感内阻，其中Is为电感充电达到稳定时刻的电流即为恒流源电流，而电感恒压放电时其前提条件也是在恒定电流的情况下完成的，根据脉冲宽度来计算出电感的放电时间τ_D，可见恒流源的稳定性是保证仪器测量正常工作的基础。恒流源按照输出级器件的不同主要可分为晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成电路式恒流源。晶体管恒流源其电流控制器件的稳流精度不高；集成电路式恒流源往往适用于小电流恒流无法做大；场效应管是电压控制型器件，它的输入阻抗非常高，因此场效应管可以方便地用作恒流源。

进一步的，在本实施例中，通过理论分析可以发现，仪器中对电感充电与放电电路以及对电感充电稳定时间的内阻检测是仪器测量中重要的组成部分，在设计中需要对电感进行反复的充放电，这里采用可控硅来进行电感冲放电的控制。

进一步的，在本实施例中，在用户操作界面中，用户可以根据自己需要测量的电感类型来选择相应的测量模式，因为不同的电感的磁性材料对应的磁导率是各不相同的，他们所表现的线性度也是不同的，因此给出了几种不同的磁性材料的模式来供用户选择；针对于系统没有给出的测量型号，用户也可以根据测量公式Lx＝f(a，b，c)将因数写入系统。这里选用触摸显示屏来进行人机交互的显示与控制。

综上所述，在本实施例中，按照本实施例的基于STM32的开关式电感测量仪，本实施例提供的基于STM32的开关式电感测量仪，采用开关方式控制恒流源双向电感充放，利用电感恒压放电时电流线性变化这一特点，通过测量电感放电的时间从而计算出电感的感值，方法独特，具有很高的创新价值；ARM单片机的芯片用STM32，主频从可以达到72MHz，具有很高的测量分辨率；设计简单，体积小巧，操作方便，成本低廉，速度快，具有很强的抗干扰能力，相对测量精度为2％，并有很好的可集成性。

以上所述，仅为本实用新型进一步的实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所公开的范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于STM32的开关式电感测量仪，包括壳体(13)及设置在所述壳体(13)内的控制系统和散热器(17)，所述散热器(17)用于对所述控制系统进行散热，其特征在于：所述控制系统包括主控制器(1)及分别与所述主控制器(1)电连接的算法逻辑模块(2)、软件仿真及拟合模块(3)、数据存储模块(5)、人机交互模块(7)和开关(9)；所述开关(9)分别与驱动模块(10)、电感充放电模块(11)和恒流源(12)电连接；所述驱动模块(10)还与所述主控制器(1)电连接；所述主控制器(1)与所述开关(9)之间连接有检测模块(8)；所述主控制器(1)分别控制所述恒流源(12)对所述电感充放电模块(11)进行充电和放电，所述检测模块(8)将所述电感充放电模块(11)放电时的测量数据发送至所述主控制器(1)，所述主控制器(1)将接收到的信号发送给所述算法逻辑模块(2)和所述软件仿真及拟合模块(3)，所述算法逻辑模块(2)和所述软件仿真及拟合模块(3)分别进行分析和计算，并将信息显示在所述人机交互模块(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述主控制器(1)、所述算法逻辑模块(2)和所述软件仿真及拟合模块(3)均设置在所述散热器(17)上，所述数据存储模块(5)、所述检测模块(8)和所述驱动模块(10)均设置在所述壳体(13)的底部。

3.根据权利要求2所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述人机交互模块(7)设置在所述壳体(13)的上部，所述人机交互模块(7)上设有透明保护盖(14)，所述透明保护盖(14)为非金属透明保护盖。

4.根据权利要求3所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述主控制器(1)还分别与电源模块(4)和输入模块(6)电连接，所述电源模块(4)用于为所述主控制器(1)供电，所述输入模块(6)用于外接数据输入。

5.根据权利要求4所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述壳体(13)上设有选择旋钮(18)和指示灯(19)，所述开关(9)也设置在所述壳体(13)上，所述壳体(13)的侧边设有散热窗(15)和外接数据接口(16)，所述散热窗(15)设置在所述散热器(17)对应的位置，所述外接数据接口(16)与所述输入模块(6)连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述主控制器(1)采用STM32作为主控芯片，具有32位微控制器，采用ARM Cortex M3内核。

7.根据权利要求5所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述人机交互模块(7)采用LCD触摸屏作为显示界面和人机操作的接口，用于实现在测量中对不同的电感类型的选择以及对未知的电感参数的采集与测量。

8.根据权利要求5所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述数据存储模块(5)选用I2C接口的AT24C256，用于保存不同类型的电感计算数据公式，防止因系统掉电而丢失信号数据。

9.根据权利要求5所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述软件仿真及拟合模块(3)利用MATLAB进行数据拟合和仿真，针对数据拟合和仿真结果进行分析，根据测量的tD和内阻r得出最终测量出不同类型电感Lx的逻辑关系式。

10.根据权利要求5所述的一种基于STM32的开关式电感测量仪，其特征在于：所述算法逻辑模块(2)采用模块化编程，运用C语言分别编写每个模块程序，并各自独立调试，然后建立模块间的联系，使其协调工作。