一種蓄電池雙向電流檢測的設(shè)計(jì)方案

1、    一種蓄電池雙向電流檢測的設(shè)計(jì)方案    一種蓄電池雙向電流檢測的設(shè)計(jì)方案    類別：電源技術(shù)      摘要：介紹了裝備蓄電池組工作電壓和電流實(shí)現(xiàn)檢測的需求，利用運(yùn)算放大器構(gòu)建了正負(fù)雙向電流量累積求和及跟蹤反向的預(yù)處理電路，基于STM32F103控制器片內(nèi)AD實(shí)現(xiàn)了12位電壓和電流的信號(hào)采集轉(zhuǎn)換。最后給出了主要程序片段和如何提高ADC精度的一些措施。 0.引言 在某裝備的研制過程中，為保障裝備效能的正常發(fā)揮

2、，需要實(shí)時(shí)掌握其內(nèi)部集成的鉛酸蓄電池組的工作狀態(tài)，主要狀態(tài)參數(shù)包括電池組電壓和充放電電流，要求監(jiān)控系統(tǒng)做到精度高、可靠、簡單。具體參數(shù)指標(biāo)是：蓄電池組標(biāo)稱值DC24V，充放電電流在5A以內(nèi)。電壓檢測精度要求0.01V，電流檢測精度要求0.01A，即小數(shù)點(diǎn)后保證兩位有效數(shù)字。據(jù)此本文設(shè)計(jì)了基于STM32F103VB嵌入式控制器為核心的信號(hào)處理、采樣和計(jì)算的軟硬件控制系統(tǒng)。 STM32F103系列控制器由意法半導(dǎo)體公司（ST）推出，使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口

3、和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。該器件包含3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。STM32F103xx增強(qiáng)型系列工作于-40至+105的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求1。該設(shè)計(jì)選用STM32F103VB處理器主要考慮其高速可靠、資源豐富、工作溫度寬和供電電壓寬、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，尤其是其內(nèi)部集成雙路AD轉(zhuǎn)換器，16通道，12位精度，1s轉(zhuǎn)換時(shí)間。 1.蓄電池組電壓和電流采樣處理過程 設(shè)計(jì)的蓄電池組工作狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)如圖1所示，功能上包括獨(dú)立的兩部分：電

4、壓檢測和電流檢測。其中電壓檢測實(shí)現(xiàn)較為簡單。 圖1 信號(hào)采集和處理的工作原理圖 11 電壓檢測 電壓信號(hào)量的檢測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AD轉(zhuǎn)換引腳。本設(shè)計(jì)中，控制器基準(zhǔn)電壓采用+25 V，故電壓信號(hào)輸入范圍須小于或等于25 V，即： 其中，Vbat為蓄電池組電壓值，實(shí)際變化范圍為2028 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 k，R2=10 ，R1和R2的串聯(lián)電阻達(dá)到112 k，消耗的電量對(duì)裝備工作不會(huì)產(chǎn)生過大的影響。 12 充放電電流雙向采樣與處理 采用LA2

5、8-NP電流傳感器對(duì)充放電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。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AD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

6、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-VinVref+。本設(shè)計(jì)中Vref-接模擬地，Vref+接25 V基準(zhǔn)電壓，故ADC輸入范圍為O25 V。目前存在的問題是：STM32F103采用單33 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AD采樣問題。 圖2 電壓累加升壓、跟隨反向轉(zhuǎn)換電路 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0Vref+范圍內(nèi)。這是以犧牲AD轉(zhuǎn)換精度為代價(jià)的。詳細(xì)過程

7、如下： 串入電阻Rm=50 ，獲得模擬量電壓輸出V1范圍為-125+125 V。 利用兩門運(yùn)算放大器構(gòu)建求和電路，實(shí)現(xiàn)V1和+125 V基準(zhǔn)電壓累加，將V1擴(kuò)展至0-25 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+25 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 k，Vmid=-(125+V1)，故Vmid電壓范圍為0-25 V。 在第二級(jí)反相放大電路中可得： 取R3=R4=R5=10k，Vmid = -（1.25+Vin），故Vmin電壓范圍取值：0-2.5V。 在第二級(jí)的反相

8、放大電路中 取R6=R7=10k，則Vout = -Vmid，Vout取值范圍：0+2.5V。 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。 STM32F103的AD轉(zhuǎn)換器精度為12位，理論上對(duì)應(yīng)數(shù)字量范圍04096。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-5046，k=000244。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O01 A的電流精度。x表示AD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AD數(shù)字量的曲

9、線關(guān)系如圖3所示。 圖3 充放電電流和AD數(shù)字量的曲線關(guān)系 2 軟件設(shè)計(jì) 21 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_V32O。電壓和電流檢測AD轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)置如下： 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AD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

10、和電流量的ADC輸入端。 將ADC設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、右對(duì)齊、非外部觸發(fā)。 啟動(dòng)ADC，開始采樣轉(zhuǎn)換和處理。 2.2主要程序片段 STM32的ADC主要程序片段如下： /配置GPIO口程序/ void GPIO_Configuration(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /配置PC4和PC6為模擬量輸入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_6 ; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init(GPIOC, &

11、amp;GPIO_InitStructure); /電壓電流配置、工作采樣主程序/ int main(void) RCC_Configuration(); GPIO_Configuration(); DMA_Configuration(); /ADC1 configuration ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; ADC_InitStru

12、cture.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); /DC1 regular channel14 configuration ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_14, 1, ADC_SampleTime_55Cycle

13、s5); ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); /Enable ADC1 DMA ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); /Enable ADC1 /Enable ADC1 reset calibaration register ADC_ResetCalibration(ADC1); /Check the end of ADC1 reset calibration register while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1); /Start ADC1 calibaration ADC_StartCalibration(ADC1); /

14、Check the end of ADC1 calibration while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1); /Start ADC1 Software Conversion ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while(1) AD_value=ADC_GetConversionValue(ADC1); 23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

15、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。 31 ADC的使用 使用STM32F103的ADC時(shí)考慮兩個(gè)方面： 兩個(gè)模擬量輸入口臨近的引腳不安排數(shù)字量IO。IO腳之間存在耦合電容，因此IO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。 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)不同的溫度范圍測量出完

16、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)。 32 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+125 V和+25 V兩個(gè)電壓基準(zhǔn)源，+125 V基準(zhǔn)信號(hào)用于放大器累加電路，+25 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DCDC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+33 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IO端口翻轉(zhuǎn)操作在直流電源上產(chǎn)生的大量的噪聲干擾。 33 其他抗干擾措施 該設(shè)計(jì)還采取了