STM32F103控制器的蓄電池雙向電流檢測(cè)

1 硬件設(shè)計(jì)
蓄電池組信號(hào)采集和處理的工作原理如圖1所示。功能上包括獨(dú)立的兩部分：電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)。其中電壓檢測(cè)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。系統(tǒng)充放電電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)選用瑞士LEM公司的LA28-NP電流傳感器。

ST公司推出的STM32F103系列控制器采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz。該器件內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128 KB的閃存和20KB的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I／O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)；具有3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，以及2個(gè)I2C和2個(gè)SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN通信接口；工作于-40～+105℃的溫度范圍，供電電壓為2．O～3．6 V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。STM32F103系列處理器不但具有高速可靠、資源豐富、工作溫度和供電電壓范圍寬、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，而且內(nèi)部集成雙路A／D轉(zhuǎn)換器(16通道，12位精度，1 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間)。
1．1 電壓檢測(cè)
電壓信號(hào)量的檢測(cè)采用雙電阻分壓模式，取兩個(gè)合適阻值的電阻串聯(lián)分壓，分壓后的電壓信號(hào)送入STM32F103處理器的A／D轉(zhuǎn)換引腳。本設(shè)計(jì)中，控制器基準(zhǔn)電壓采用+2．5 V，故電壓信號(hào)輸入范圍須小于或等于2．5 V，即：

其中，Vbat為蓄電池組電壓值，實(shí)際變化范圍為20～28 V，這里Vbat取最大值28 V；R1和R2為分壓電阻，均選用精度為1％的金屬膜電阻。R1=102 kΩ，R2=10 Ω，R1和R2的串聯(lián)電阻達(dá)到112 kΩ，消耗的電量對(duì)裝備工作不會(huì)產(chǎn)生過大的影響。
1．2 充放電電流雙向采樣與處理
采用LA28-NP電流傳感器對(duì)充放電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。該傳感器是利用霍爾原理的閉環(huán)(補(bǔ)償)電流傳感器，原邊回路和副邊回路之間絕緣，可用于測(cè)量直交流脈沖和混合型電流，供電電壓±15 V。系統(tǒng)中采用1000：5的匝比，原邊回路的充放電±5 A電流對(duì)應(yīng)副邊回路的額定電流Is，其有效值為±25 mA。在應(yīng)用中，感應(yīng)電流Is通過精密電阻Rm，取得電壓量V1，電阻Rm的取值取決于A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)于V2的要求。
LA28-NP的輸出電流為雙向，即±25 mA的電流信號(hào)。在實(shí)際工作中，放電時(shí)輸出最大電流為+25 mA，而充電時(shí)，輸出最大電流為-25mA，由此而取得的電壓信號(hào)V1相對(duì)于地電平也為相應(yīng)的正負(fù)電壓。STM32F103內(nèi)置的ADC電壓輸入范圍為Vref-≤Vin≤Vref+。本設(shè)計(jì)中Vref-接模擬地，Vref+接2．5 V基準(zhǔn)電壓，故ADC輸入范圍為O～2．5 V。目前存在的問題是：STM32F103采用單3．3 V工作，模擬量輸入無法處理反向電壓。在傳統(tǒng)的方式下，如果電阻Rm基準(zhǔn)電平端接入地，充電時(shí)V1為負(fù)電壓，控制器無能為力。針對(duì)這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了圖2所示的累加升壓、跟隨反向信號(hào)預(yù)處理電路，解決了雙向電流的A／D采樣問題。

該設(shè)計(jì)的基本思想是將雙向電流的電壓變化范圍均控制在0～Vref+范圍內(nèi)。這是以犧牲A／D轉(zhuǎn)換精度為代價(jià)的。詳細(xì)過程如下：
①串入電阻Rm=50 Ω，獲得模擬量電壓輸出V1范圍為-1．25～+1．25 V。
②利用兩門運(yùn)算放大器構(gòu)建求和電路，實(shí)現(xiàn)V1和+1．25 V基準(zhǔn)電壓累加，將V1擴(kuò)展至0～-2．5 V。再做一次反向跟隨放大，實(shí)現(xiàn)電壓反向功能，輸出電壓V2為0～+2．5 V。
運(yùn)算放大器選用通用運(yùn)放LM324，供電電壓±15V，和電流傳感器LA28-NP采用同一供電電路。
取R3=R4=R5=10 kΩ，Vmid=-(1．25+V1)，故Vmid電壓范圍為O～-2．5 V。
在第二級(jí)反相放大電路中可得：

③STM32F103的A／D轉(zhuǎn)換器精度為12位，理論上對(duì)應(yīng)數(shù)字量范圍0～4096。實(shí)際情況下，由于接插件、線纜、PCB和器件的綜合影響，充放電流計(jì)算公式為：y=kx-5．046，k=0．00244。在實(shí)際的程序編制中，k定義為float數(shù)據(jù)類型，至少取3位有效數(shù)字，才能保證O．01 A的電流精度。x表示A／D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字量。y表示實(shí)際電流值，負(fù)數(shù)表示充電電流，正數(shù)表示放電電流。充放電電流和A／D數(shù)字量的曲線關(guān)系如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 基本思路
監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用ARM公司的Real View MDK開發(fā)工具，統(tǒng)一采用C語言編程。為提高開發(fā)效率，ST公司推出了針對(duì)STM32控制器的固件函數(shù)庫，目前的最新版本為STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3．2．O。電壓和電流檢測(cè)A／D轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)置如下：
①配置模擬量輸入的GPIO口。STM32控制器有個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，其A／D轉(zhuǎn)換輸入引腳可以是任意GPIO，只要GPIO配置為GPIO_Mode_AIN模式，即可以實(shí)現(xiàn)模擬量輸入。STM32F103共有16個(gè)外部通道，該設(shè)計(jì)中將PCA和PC6作為電壓量和電流量的ADC輸入端。
②將ADC設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、右對(duì)齊、非外部觸發(fā)。
③啟動(dòng)ADC，開始采樣轉(zhuǎn)換和處理。
2．2 軟件濾波措施
該應(yīng)用中電壓量和電流量為變化較緩的信號(hào)，故軟件采取防脈沖干擾平均濾波算法。連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。通過實(shí)驗(yàn)N取5時(shí)可達(dá)到滿意的效果。該算法能夠剔除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

3 提高信號(hào)檢測(cè)精度的措施
為提高ADC處理的精度和系統(tǒng)抗干擾能力，該設(shè)計(jì)從ADC的使用、電壓基準(zhǔn)和供電、濾波及元器件的選擇等方面采取了系列的措施。
3．1 ADC的使用
使用STM32F103的ADC時(shí)考慮兩個(gè)方面：
①兩個(gè)模擬量輸入口臨近的引腳不安排數(shù)字量I／O。I／O腳之間存在耦合電容，因此I／O端口的翻轉(zhuǎn)可能對(duì)ADC的模擬輸入產(chǎn)生一些噪聲。這可能是因?yàn)镻CB走線過于靠近，或互相交叉而產(chǎn)生的。
②溫度會(huì)對(duì)ADC的精度產(chǎn)生較大的影響，主要包括偏移誤差和增益誤差。這些誤差可以通過微控制器的固件程序補(bǔ)償。一種方法是，根據(jù)不同的溫度范圍測(cè)量出完整的偏移和增益變化，再在存儲(chǔ)器中建立一個(gè)對(duì)照表，需要耗費(fèi)額外的費(fèi)用和時(shí)間。另一種方法是，當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)數(shù)值時(shí)，使用內(nèi)部的溫度傳感器和ADC看門狗功能，重新校準(zhǔn)。
3．2 電壓基準(zhǔn)芯片和獨(dú)立電源供電
在該設(shè)計(jì)中為保證信號(hào)的質(zhì)量，重要的電平信號(hào)采用專用芯片來實(shí)現(xiàn)。例如使用REF2912和REF2925電壓基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生+1．25 V和+2．5 V兩個(gè)電壓基準(zhǔn)源，+1．25 V基準(zhǔn)信號(hào)用于放大器累加電路，+2．5 V基準(zhǔn)信號(hào)提供給SFM32F103的Vref+。另外，模擬電路、控制器模擬供電和數(shù)字電路供電采用獨(dú)立電源，由專用DC／DC提供±15 V電源，為電流傳感器LA-28P及運(yùn)算放大器LM324供電，STM32F103的模擬部分VDDA和數(shù)字部分VDD使用獨(dú)立的+3．3 V供電。三種獨(dú)立電源于一點(diǎn)共地，盡可能地減少電源間的互擾。這樣做的好處是，避免了很多的I／O端口翻轉(zhuǎn)操作在直流電源上產(chǎn)生的大量的噪聲干擾。
3．3 其他抗干擾措施
該設(shè)計(jì)還采取了其他的一些抗干擾措施：STM32F103控制器的VDDA和Vref+引腳連接2個(gè)外部的去耦電容器(10 nF瓷介電容+1 μF的鉭電容)；模擬電路中的所有電阻采用1％精度的金屬膜電阻；在PCB的布置中，模擬電路部分遠(yuǎn)離數(shù)字部分，避免了在模擬電路底下通過數(shù)字信號(hào)線。

結(jié)語
該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了充放電電流信號(hào)的累加升壓、跟隨反向，利用STM32F103控制器片內(nèi)12位A／D實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最終電壓檢測(cè)實(shí)際精度達(dá)到O．005 V，電流實(shí)際精度達(dá)到O．005 A，效果穩(wěn)定、可靠，滿足了設(shè)計(jì)要求。需進(jìn)一步改進(jìn)之處在于處理系統(tǒng)的溫漂問題，即溫度對(duì)電路的影響。