【新手向】地文星CW32电压电流表——有关标定误差、标定点设置的研究

本项目参加了由CW32生态社区与立创开发板组织的电压电流表训练营活动，转发已征得原作者大道至简同意。

本项目所有资料已经开源，适合新手小白复刻学习。

https://oshwhub.com/zk272761180/learning-gewenxing-cw32f030c8t6-

产品展示视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1T8W4erEXn/#reply112995304803317

读前说明：

• 2024.11.24 更新说明：本项目已于9月10日优化完成，最终软件版本为V3.0，后续将不再更新。

五、有关标定误差、标定点设置的研究（20240910更新）

• 问题由来：当使用精度较差电阻搭建测量电路或是焊接、软件等问题，会导致ADC采样值和实际值（电压电流值）的映射非线性关系，因此即便使用3点法标定也无法保证全量程精度。这也是为什么电压采样调整为3V、8V和15V标定的原因。

下面进行了各路测量电路的取样测试：

• 测试工况一：使用30V电路测量时精度偏差

1. ADC-电压的映射曲线呈线性相关性强，使用线性标定算法合理，K值偏差度多数在1%以内；
2. 当使用线性标定算法时，不同电压值对应K（斜率）有所变化，尤其当电压较小时偏差率高。

解决方案：

1. 采用分段标定方法：电压在3V以内时K值偏差较大。将原5V标定范围调整为3V和8V两个标定点，可保证3V-8V区间（本人开发时常使用3v3-5v的工况）精度。当然，该方法弊端为3V以内电压偏差较大，可通过方案2解决。
2. 针对小电压偏差大的情况，对K值变化情况进行线性拟合。上图简要进行了线性拟合和对数拟合，对数拟合相关性更好，可以在电压计算时将常量K调整为对数函数，以提高精度。

• 【2024.9.10 更新】

1. 程序增加了K值拟合曲线。通过试验点拟合的曲线，当ADC读取到数值时依据拟合公式计算出电压值，效果较好，但曲线与硬件有关且具有唯一性，不同设备需要通过实验进行拟合修改参数。
2. 程序增加了计算模式切换，默认使用拟合曲线计算。

• 测试工况二：使用3V电路测量时精度偏差

1. ADC-电压的映射曲线呈线性相关性强，使用线性标定算法合理，K值偏差度基本都在1%以内；
2. 当使用线性标定算法时，不同电压值对应K（斜率）有所变化，尤其当电压较小（约0.5V以内）时偏差率高。

解决方案：

1. 研究发现当电压在0.2V之后尤其在0.5V以后K值偏差小于5%甚至0.1%，故可认定K值恒定。通过实验将K值定为0.00073，测量结果较好，因此标定时不再进行3V电路标定。这种方法仅针对该测量对象；读者若有其他应用可增加3V电路的标定值，或将我代码中的该值进行调整。
2. 针对小电压偏差大的情况，也可对K值变化情况进行线性拟合。上图简要进行了线性拟合和对数拟合，对数拟合相关性更好，可以在电压计算时将常量K调整为对数函数，以提高精度。

• 测试工况三：使用3A电路测量时精度偏差

1. ADC-电压的映射曲线呈线性相关性强，使用线性标定算法合理，但K值偏差度相对较大；
2. 当使用线性标定算法时，不同电压值对应K（斜率）有所变化，大致呈现三段状态（一段在0.2A也就是20mV之前，线性下降趋势大；二段在0.3A-0.9A左右，线性下降趋势小；三段在0.9A以后，线性稳定）。

解决方案：

1. 本人常用开发环境在0.2A-1.5A之间，可以按照原教程，~~将0.5A标定值默认为第二段K均值；将1.5A标定值默认为第三段K均值。该方法需要进行进一步精度验证。~~精度优化方向可进行分段K值拟合和全曲线K值拟合。【2024.9.10更新】按照0.5A、1A、2A的K值比较，发现基本可覆盖量程范围，误差在1%以内，因此将电流标定调整为这三点。
2. 进行分段K值拟合时，可以分别对一至三段进行线性拟合，该拟合效果理论上来说可以达到很好的精度。
3. 进行全曲线K值拟合。此时再进行线性拟合的拟合度已经很差了，可以考虑使用对数拟合等其他方法。

• 【2024.9.10 更新】

1. 程序增加了K值拟合曲线。通过试验点拟合的曲线，当ADC读取到数值时依据拟合公式计算出电流值，相对于多点拟合计算简单，省去标定繁琐操作。但是，曲线与硬件有关且具有唯一性，不同设备需要通过实验进行拟合修改参数再进行烧录。
2. 程序增加了计算模式切换，默认使用拟合曲线计算。

• 总结：
  本章节之所以新增有关标定误差、标定点设置的研究内容，目的在于修正开发板和软件系统之外的篇差。在测量仪器开发时，不仅要考虑理论精度误差，还要进行硬件和电路精度测量。通过软件进行指标修正，可以更好解决硬件电路误差问题，开发的设备也能有更好的精度和稳定性。

六、结语

本工程耗时1个月完成，借助立创平台和本项目经历，我学会了PCB设计、元器件焊接、3D外壳和面板设计、CW32地文星开发板学习、工程软件设计，同时了解了电压电流表的工作原理，以及提升了调试能力。

文档有描述错误和理解不到位之处敬请指正，谢谢。