10. 无刷有刷驱动板温度电压三相电流采集

野火使用MOS管搭建的直流无刷驱动板做到了信号完全隔离，其他驱动板基本都只是使用光耦隔离了控制信号， 并没有对ADC采样电路进行隔离，野火不仅使用光耦对控制信号进行了隔离， 还使用AMC1200SDUBR隔离运放对ADC采样电路进行了隔离。

10.1. 电流采样电路

如下图所示是电流采样电路，在电机驱动电路中串入一个0.02Ω、2W的采样电阻，将电流信号转换成电压信号， 再经过隔离运放放大8倍后差分输出，使用普通运放将差分输出转换成单端输出给STM32的ADC采样通道。

电流采样电路

从上图中我们可以知道是一个负反馈电路，那么根据虚短和虚断可以知道Up=Un， p点和n点没有电流到运放的6脚和7脚，可以得:

差分转单端输出

R108与后面的电容组成RC滤波电路，R108上流过的电流很小，压降也小，可以忽略不计，Vo等于Vcurrent_adc。

将（1）式和（2）式整理可得:

差分转单端输出整理

因为Up=Un，所以有:

差分转单端输出合并

其中R67=R66=R69=R68=10KΩ， 将R67、R66、R69和R68阻值带入上式化简可得:

差分转单端输出化简

因为隔离运放将Vi放大8倍后输出，所以有U7-U6=8*Vi， 带入上式可得:

差分转单端输出结果

在下图中使用电压比较器LMV331SE实现10A过流保护电路

比较器逻辑：IN+电压大于IN-，则输出高电平。反之则相反。

正常情况下：Motor_IU/V/W_ADC采集的电压低于R86和R87分压值2V84_IN，通过比较器U19/U20/U21输出高电平3.3V，U33引脚3处于高电平3.3V，与R142和R143分压值（3V3_IN/2）比较输出低电平0V，（或者短时间内Motor_IU/V/W_ADC电压高于分压值2V84_IN，通过比较器U19/U20/U21输出低电平0V，通过R133、R134、C33器件RC充放电作用，始终U33引脚3电压高于R142和R143分压值（3V3_IN/2），比较器输出低电平0V），则Q8处于关闭状态，C99两端为3.3V，U34比较器引脚1电压高于引脚3，则输出高电平3.3V，Motor_SD_B为3.3V，表示正常工作，SS8550是PNP管，过流指示灯也不亮。

过流保护过程：Motor_IU/V/W_ADC采集的电压高于R86和R87分压值2V84_IN，通过比较器U19/U20/U21输出低电平0V，通过R133、R134、C33器件RC充放电（触发时间与阻容值有关），使U33引脚3电压低于R142和R143分压值（3V3_IN/2）比较输出高电平3.3V，则Q8处于导通状态，U34引脚1电压迅速变为0V，输出低电平，Motor_SD_B为0V，表示电路处于过流状态，SS8550是PNP管，过流指示灯亮起。

过流保护恢复正常：Motor_IU/V/W_ADC采集的电压低于R86和R87分压值2V84_IN，通过比较器U19/U20/U21输出高电平3.3V，通过R133、R134、C33器件RC充放电（触发时间与阻容值有关），U33引脚3始终高于R142和R143分压值（3V3_IN/2）比较输出低电平0V，则Q8处于关闭状态，R145和C99阻容RC充电，充电时间长短反应到单次保护时间，当R145和C99阻容RC充电电压高于R146和R147分压，则U34比较器引脚1电压高于引脚3，则输出高电平3.3V，Motor_SD_B为3.3V，表示正常工作，SS8550是PNP管，过流指示灯也不亮。

R144起到触发电压缓冲作用：

正常时：U33引脚3处于高电平3.3V，U33输出0V，则U33分压值为：U=（（R143//R144）*3.3V）/（R142+R143//R144）≈1.571V，触发保护电压为1.571V。

过流触发：当U33引脚3低于1.571V，则已触发保护，U33输出3.3V，则U33分压值为：U=（R143*3.3V）/（R142//R144+R143）≈1.729V，触发恢复电压为1.729V。

电压比较器

10.2. 编程要点

  1. 初始化ADC并使用DMA进行数据的获取

  2. 编写函数对采集得到的数据进行处理

  3. 编写获取最终电流值的函数

  4. 测试代码

10.2.1. 软件分析

时钟等其他相关的初始化与前面工程相同，这里不过多赘述，我们直接看ADC初始化的代码，看ADC初始化结构体各个参数的配置，如果对ADC配置有疑问，请看《野火STM32库开发实战指南》，有针对ADC外设的细致讲解。

10.2.1.1. ADC_Init()函数

ADC_Init()函数
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/**
* @brief  电流采集初始化
* @param  无
* @retval 无
*/
void ADC_Init(void)
{
   ADC_GPIO_Config();
   adc_dma_init();
   ADC_Mode_Config();
}

在ADC_Init()函数中，我们对ADC采集涉及到的相关GPIO进行了初始化，对DMA获取数据进行了配置，也配置了ADC采集的模式，再具体看每一个函数的实现。

ADC_GPIO_init()函数

adc_dma_init()
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void adc_dma_init(void)
{
   // ------------------DMA Init 结构体参数 初始化--------------------------
   // ADC1使用DMA2，数据流0，通道0，这个是手册固定死的
   // 开启DMA时钟
  TEMP_ADC_DMA_CLK_ENABLE();
   // 数据传输通道
   DMA_Init_Handle.Instance = TEMP_ADC_DMA_STREAM;
   // 数据传输方向为外设到存储器
   DMA_Init_Handle.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
   // 外设寄存器只有一个，地址不用递增
   DMA_Init_Handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
   // 存储器地址固定
   DMA_Init_Handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
   // 外设数据大小为半字，即两个字节
   DMA_Init_Handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
   //        存储器数据大小也为半字，跟外设数据大小相同
   DMA_Init_Handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
   // 循环传输模式
   DMA_Init_Handle.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
   // DMA 传输通道优先级为高，当使用一个DMA通道时，优先级设置不影响
   DMA_Init_Handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
   // 禁止DMA FIFO     ，使用直连模式
   DMA_Init_Handle.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
   // FIFO 大小，FIFO模式禁止时，这个不用配置
   DMA_Init_Handle.Init.FIFOThreshold = DMA_FIFO_THRESHOLD_HALFFULL;
   DMA_Init_Handle.Init.MemBurst = DMA_MBURST_SINGLE;
   DMA_Init_Handle.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_SINGLE;
   // 选择 DMA 通道，通道存在于流中
   DMA_Init_Handle.Init.Channel = CURR_ADC_DMA_CHANNEL;
   //初始化DMA流，流相当于一个大的管道，管道里面有很多通道
   HAL_DMA_Init(&DMA_Init_Handle);

   __HAL_LINKDMA(&ADC_Handle,DMA_Handle,DMA_Init_Handle);
}
adc_dma_init()配置为半字传输，方向配置为从ADC外设搬运数据到内存中，最后初始化DMA。

10.2.1.2. ADC_Mode_Config()函数

ADC_Mode_Config()函数
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/**
* @brief  ADC 和 DMA 初始化
* @param  无
* @retval 无
*/
static void ADC_Mode_Config(void)
{
   // 开启ADC时钟
   CURR_ADC_CLK_ENABLE();
   // -------------------ADC Init 结构体 参数 初始化------------------------
   // ADC3
   ADC_Handle.Instance = CURR_ADC;
   // 时钟为fpclk 4分频
   ADC_Handle.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCKPRESCALER_PCLK_DIV4;
   // ADC 分辨率
   ADC_Handle.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
   // 使能扫描模式，多通道采集才需要
   ADC_Handle.Init.ScanConvMode = ENABLE;
   // 连续转换
   ADC_Handle.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
   // 非连续转换
   ADC_Handle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
   // 非连续转换个数
   ADC_Handle.Init.NbrOfDiscConversion   = 0;
   //禁止外部边沿触发
   ADC_Handle.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
   //使用软件触发
   ADC_Handle.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
   //数据左对齐
   ADC_Handle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_LEFT;
   //转换通道 2个
   ADC_Handle.Init.NbrOfConversion = 5;
   //使能连续转换请求
   ADC_Handle.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;
   //转换完成标志
   ADC_Handle.Init.EOCSelection          = ADC_EOC_SINGLE_CONV;
   // 初始化ADC
   HAL_ADC_Init(&ADC_Handle);

   //---------------------------------------------------------------------------
   ADC_ChannelConfTypeDef ADC_Config;

   ADC_Config.Channel      = CURR_ADC_CHANNEL;
   ADC_Config.Rank         = 1;
   // 采样时间间隔
   ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
   ADC_Config.Offset       = 0;
   // 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期
   HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);

   ADC_Config.Channel      = VBUS_ADC_CHANNEL;
   ADC_Config.Rank         = 2;
   ADC_Config.Offset       = 0;
   HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);
   // 采样时间间隔
   ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
   ADC_Config.Offset       = 0;

   ADC_Config.Channel      = CURR_U_ADC_CHANNEL;
   ADC_Config.Rank         = 3;
   // 采样时间间隔
   ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
   ADC_Config.Offset       = 0;
   HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);

   ADC_Config.Channel      = CURR_V_ADC_CHANNEL;
   ADC_Config.Rank         = 4;
   // 采样时间间隔
   ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
   ADC_Config.Offset       = 0;
      HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);

   ADC_Config.Channel      = CURR_W_ADC_CHANNEL;
   ADC_Config.Rank         = 5;
   // 采样时间间隔
   ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
   ADC_Config.Offset       = 0;
   if (HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config) != HAL_OK)
   {
      while(1);
   }

   // 外设中断优先级配置和使能中断配置
   HAL_NVIC_SetPriority(ADC_DMA_IRQ, 1, 1);
   HAL_NVIC_EnableIRQ(ADC_DMA_IRQ);

   HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t*)&adc_buff, ADC_NUM_MAX);
}

ADC_Mode_Config()函数对ADC进行了配置，具体看代码中各个参数的注释。将ADC配置为循环采集，因实际工程中也进行了电压采集、三相电流采集、温度采集，所以配置了5个转换通道，最后分别配置5个通道参数，就完成了ADC的配置。再配置的最后，使用HAL_ADC_Start_DMA使能DMA传输，就可以开始采集数据了，但是我们还需要对数据进行更多的处理，才能使数据稳定可靠。

10.2.2. 数据处理部分

10.2.2.1. HAL_ADC_ConvCpltCallback()函数

当DMA搬运ADC_NUM_MAX个数据后，我们预设的BUF已经被填满了ADC采集得到的数据，这时DMA会产生一个中断，最终回调HAL_ADC_ConvCpltCallback通知用户，一轮ADC的采集已经完成。这时我们就可以先使用HAL_ADC_Stop_DMA停止DMA和ADC的工作，进行对数据的处理，当数据处理完成，我们再开启ADC的采集。

在HAL_ADC_ConvCpltCallback()回调函数中，我们对电流采集的原始数据进行 累加 给赋值adc_mean，再将adc_mean除以采集数据的个数(ADC_NUM_MAX/5)，以获得采集数据的原始数据平均值。将其 累加 赋值给adc_mean_sum，并对adc_mean_count+1，记录采集次数。完成这些操作后，再重新调用HAL_ADC_Start_DMA以开启新一轮的采集。

在电流数据处理下面，我们可以看到对电压也进行了同样的采集操作，并且添加了宏定义#if，因为同时采集电流电压较为耗时。我们实验时可以将#if置为0，方便我们观察实验现象。

get_curr_val()函数

前面我们通过回调函数获得了采集的原始数据，现在我们对采集得到的原始数据进行处理，以得到真实的电流值。

get_curr_val()函数
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/**
* @brief  获取电流值
* @param  无
* @retval 转换得到的电流值
*/
int32_t get_curr_val(void)
{
static uint8_t flag = 0;
static uint32_t adc_offset = 0;    // 偏置电压
int16_t curr_adc_mean = 0;         // 电流 ACD 采样结果平均值

curr_adc_mean = adc_mean_sum / adc_mean_count;    // 保存平均值


   adc_mean_count = 0;
   adc_mean_sum = 0;

   if (flag < 17)
   {
      adc_offset = curr_adc_mean;    // 多次记录偏置电压，待系统稳定偏置电压才为有效值
      flag += 1;
   }
   if(curr_adc_mean>=adc_offset)
   {
      curr_adc_mean -= adc_offset;                     // 减去偏置电压
   }else
   {
      curr_adc_mean=0;
   }

   float vdc = GET_ADC_VDC_VAL(curr_adc_mean);      // 获取电压值

   return GET_ADC_CURR_VAL(vdc);
   }

/**
* @brief  获取温度传感器的温度
* @param  无
* @retval 转换得到的温度，单位：（℃）
*/

float get_ntc_t_val(void)
{
float t = 0;             // 测量温度
float Rt = 0;            // 测量电阻
float Ka = 273.15;       // 0℃ 时对应的温度（开尔文）
float R25 = 10000.0;     // 25℃ 电阻值
float T25 = Ka + 25;     // 25℃ 时对应的温度（开尔文）
float B = 3950.0;        /* B-常数：B = ln(R25 / Rt) / (1 / T – 1 / T25)，
                           其中 T = 25 + 273.15 */

Rt = get_ntc_r_val();    // 获取当前电阻值

t = B * T25 / (B + log(Rt / R25) * T25) - Ka ;    // 使用公式计算

return t;
}
/**
* @brief  获取V相的电流值
* @param  无
* @retval 转换得到的电流值
*/
int32_t get_curr_val_v(void)
{
static uint8_t flag = 0;
static uint32_t adc_offset = 0;    // 偏置电压
int16_t curr_adc_mean = 0;         // 电流 ACD 采样结果平均值

curr_adc_mean = adc_mean_sum_v / adc_mean_count_v;    // 保存平均值


   adc_mean_count_v = 0;
   adc_mean_sum_v = 0;

   if (flag < 17)
   {
      adc_offset = curr_adc_mean;    // 多次记录偏置电压，待系统稳定偏置电压才为有效值
      flag += 1;
   }
   if(curr_adc_mean>=adc_offset)
   {
      curr_adc_mean -= adc_offset;                     // 减去偏置电压
   }else
   {
      curr_adc_mean=0;
   }

float vdc = GET_ADC_VDC_VAL(curr_adc_mean);      // 获取电压值

return GET_ADC_CURR_VAL(vdc);
}
/**
* @brief  获取U相的电流值
* @param  无
* @retval 转换得到的电流值
*/
int32_t get_curr_val_u(void)
{
static uint8_t flag = 0;
static uint32_t adc_offset = 0;    // 偏置电压
int16_t curr_adc_mean = 0;         // 电流 ACD 采样结果平均值

curr_adc_mean = adc_mean_sum_u / adc_mean_count_u;    // 保存平均值


   adc_mean_count_u = 0;
   adc_mean_sum_u = 0;

   if (flag < 17)
   {
      adc_offset = curr_adc_mean;    // 多次记录偏置电压，待系统稳定偏置电压才为有效值
      flag += 1;
   }
   if(curr_adc_mean>=adc_offset)
   {
      curr_adc_mean -= adc_offset;                     // 减去偏置电压
   }else
   {
      curr_adc_mean=0;
   }

float vdc = GET_ADC_VDC_VAL(curr_adc_mean);      // 获取电压值

return GET_ADC_CURR_VAL(vdc);
}
/**
* @brief  获取W相的电流值
* @param  无
* @retval 转换得到的电流值
*/
int32_t get_curr_val_w(void)
{
static uint8_t flag = 0;
static uint32_t adc_offset = 0;    // 偏置电压
int16_t curr_adc_mean = 0;         // 电流 ACD 采样结果平均值

curr_adc_mean = adc_mean_sum_w / adc_mean_count_w;    // 保存平均值


   adc_mean_count_w = 0;
   adc_mean_sum_w = 0;

   if (flag < 17)
   {
      adc_offset = curr_adc_mean;    // 多次记录偏置电压，待系统稳定偏置电压才为有效值
      flag += 1;
   }
   if(curr_adc_mean>=adc_offset)
   {
      curr_adc_mean -= adc_offset;                     // 减去偏置电压
   }else
   {
      curr_adc_mean=0;
   }

float vdc = GET_ADC_VDC_VAL(curr_adc_mean);      // 获取电压值

return GET_ADC_CURR_VAL(vdc);
}
/**
* @brief  获取电源电压值
* @param  无
* @retval 转换得到的电压值
*/
float get_vbus_val(void)
{
float vdc = GET_ADC_VDC_VAL(vbus_adc_mean);      // 获取电压值
return GET_VBUS_VAL(vdc);
}

在get_curr_val()中，我们对采集得到的原始数据累加的和(adc_mean_sum)除以累加次数(adc_mean_count)来求平均值，进行滤波操作，保证数据的稳定性。然后我们将以前的累加次数清零，为后面采集的数据做重新开始累加、滤波的准备。在实际情况中，每采集10次数据做一次滤波，得到的电流数据比较稳定，但是在程序设定时间内可能无法达到每采集10次做一次滤波操作，所以用户可以根据实际的实际需求来设定采集次数，采集间隔等。

必须注意的是，在硬件设计中，并不是以0v为起始电压而是加了1.24v的偏置，具体看图 差分转单端输出结果 中的V1.24。所以我们程序中，使用flag，在开发板上电后电机没有启动时，就先采集17次偏置电压数据(实测中采集17次后的偏执电压较为准确，这个次数和电路达到稳定状态的时间有关)，然后将偏置电压保存起来，这里使用static定义adc_offset。最后在每次获取电流值计算时，都会将偏置电压减去，保证数据是正确的。

在得到有效的电流转换电压的采集值后，我们对该电压值进行转换操作，将其转换回电流，调用GET_ADC_CURR_VAL。

GET_ADC_VDC_VAL()函数
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#define VREF                            3.3f     // 参考电压，理论上是3.3，可通过实际测量得3.258
#define ADC_NUM_MAX                     320    // ADC 转换结果缓冲区最大值
#define GET_ADC_VDC_VAL(val)            ((float)val/(float)4096.0f*VREF)          // 得到电压值
#define GET_ADC_CURR_VAL(val)           (((float)val)/(float)8.0/(float)0.02*(float)1000.0)          // 得到电流值，电压放大8倍，0.02是采样电阻，单位mA。
#define GET_VBUS_VAL(val)               (((float)val - 1.24f) * 37.0f )      // 获取电压值（测量电压是电源电压的1/37）

只是简单宏定义即可实现。

10.3. 主函数

电流main函数
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/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
   __IO uint16_t ChannelPulse = PWM_MAX_PERIOD_COUNT/10;
   uint8_t i = 0;
   uint8_t flag = 0;
   uint8_t t_max_count = 0;

    /* 初始化系统时钟为168MHz */
   SystemClock_Config();

   /* HAL 初始化 */
   HAL_Init();

   /* 初始化按键GPIO */
   Key_GPIO_Config();

   /* LED 灯初始化 */
   LED_GPIO_Config();

   /* 调试串口初始化 */
   DEBUG_USART_Config();

   /* ADC 初始化 */
   ADC_Init();

   printf("野火直流无刷电机温度采样与电源电压与三相电流采样例程\r\n");

   /* 电机初始化 */
   bldcm_init();

   while(1)
   {
      /* 扫描KEY1 */
      if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT, KEY1_PIN) == KEY_ON)
      {
         /* 使能电机 */
         set_bldcm_speed(ChannelPulse);
         set_bldcm_enable();
      }

      /* 扫描KEY2 */
      if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT, KEY2_PIN) == KEY_ON)
      {
         /* 停止电机 */
         set_bldcm_disable();
      }

      /* 扫描KEY3 */
      if( Key_Scan(KEY3_GPIO_PORT, KEY3_PIN) == KEY_ON)
      {
         /* 增大占空比 */
         ChannelPulse += PWM_MAX_PERIOD_COUNT/10;

         if(ChannelPulse > PWM_MAX_PERIOD_COUNT)
         ChannelPulse = PWM_MAX_PERIOD_COUNT;

         set_bldcm_speed(ChannelPulse);
      }

      /* 扫描KEY4 */
      if( Key_Scan(KEY4_GPIO_PORT, KEY4_PIN) == KEY_ON)
      {
         if(ChannelPulse < PWM_MAX_PERIOD_COUNT/10)
         ChannelPulse = 0;
         else
         ChannelPulse -= PWM_MAX_PERIOD_COUNT/10;

         set_bldcm_speed(ChannelPulse);
      }

            /* 扫描KEY5 */
      if( Key_Scan(KEY5_GPIO_PORT, KEY5_PIN) == KEY_ON)
      {
         /* 转换方向 即Forward，正转运行；相对地，REV，即Reverse，反转运行
            采用三元运算符      i是奇数是反转运行，i是偶数是正转运行，*/
         set_bldcm_direction( (++i % 2) ? MOTOR_FWD : MOTOR_REV);
      }

      if (HAL_GetTick()%50 == 0 && flag == 0)    // 每50毫秒读取一次温度、电压
      {
         flag = 1;
            int32_t current_v = get_curr_val_v();
            int32_t current_u = get_curr_val_u();
            int32_t current_w = get_curr_val_w();
         printf("电源电压=%0.1fV, T=%0.1f℃,U相电流=%dmA,V相电流=%dmA,W相电流=%dmA\r\n",
               get_vbus_val(),  get_ntc_t_val(),current_v,current_u,current_w);
      }
      else if (HAL_GetTick()%50 != 0 && flag == 1)
      {
         flag = 0;
      }
   }
}

保证开发板相关硬件连接正确，用USB线连接开发板“USB转串口”接口跟电脑，在电脑端打开串口调试助手，把编译好的程序下载到开发板，串口调试助手会显示程序输出的信息。 我们通过开发板上的五个按键控制电机加减速和方向，在串口调试助手的接收区即可看到信息三相电流、电压、温度等信息。

野火直流有刷电机电流读取实验

注意

注意：电机正在运行时应该先停止电机再复位，而不建议直接复位开发板，因为这属于非正常操作，复位的瞬间电机还在继续运动，产生的反电动势有损坏硬件的风险。