一種蓄電池雙向電流檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種蓄電池雙向電流檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：介紹了裝備蓄電池組工作電壓和電流實(shí)現(xiàn)檢測(cè)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。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(guò)程中，為保障裝備效能的正常發(fā)揮，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(jiǎn)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(cè)精度要求0.01V，電流檢測(cè)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ARMCortex-M332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，1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間。

1.蓄電池組電壓和電流采樣處理過(guò)程

設(shè)計(jì)的蓄電池組工作狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)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。

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(guò)程如下：

①串入電阻Rm=50Ω，獲得模擬量電壓輸出V1范圍為-1．25～+1．25V。

②利用兩門運(yùn)算放大器構(gòu)建求和電路，實(shí)現(xiàn)V1和+1．25V基準(zhǔn)電壓累加，將V1擴(kuò)展至0～-2．5V。再做反向跟隨放大，實(shí)現(xiàn)電壓反向功能，輸出電壓V2為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。

取R3=R4=R5=10kΩ，Vmid=-(1．25+V1)，故Vmid電壓范圍為0～-2．5V。

在第二級(jí)反相放大電路中可得：

取R3=R4=R5=10kΩ，Vmid=-（1.25+Vin），故Vmin電壓范圍取值：0～-2.5V。

在第二級(jí)的反相放大電路中

取R6=R7=10kΩ，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。

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．01A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。

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)

2．1基本思路

監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)采用ARM公司的RealViewMDK開(kāi)發(fā)工具，統(tǒng)一采用C語(yǔ)言編程。為提高開(kāi)發(fā)效率，ST公司推出了針對(duì)STM32控制器的固件函數(shù)庫(kù)，目前的版本為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(kāi)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*/

voidGPIO_Configuration(void)

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_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,GPIO_InitStructure);

……

}

/*電壓電流配置、工作采樣主程序*/

intmain(void)

{

……

RCC_Configuration();

GPIO_Configuration();

DMA_Configuration();

……

//ADC1configuration

ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=ENABLE;

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE;

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;

ADC_Init(ADC1,ADC_InitStructure);

//DC1regularchannel14configuration

ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_14,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);

ADC_DMACmd(ADC1,ENABLE);//EnableADC1DMA

ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);//EnableADC1

//EnableADC1resetcalibarationregister

ADC_ResetCalibration(ADC1);

//ChecktheendofADC1resetcalibrationregister

while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));

//StartADC1calibaration

ADC_StartCalibration(ADC1);

//ChecktheendofADC1calibration

while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));

//StartADC1SoftwareConversion

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);

while(1)

{

AD_value=ADC_GetConversionValue(ADC1);

}

}

2．3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)值和一個(gè)值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。通過(guò)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。

3．1ADC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(guò)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。例如使用REF2912和REF2925電壓基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生+1．25V和+2．5V兩個(gè)電壓基準(zhǔn)源，+1．25V基準(zhǔn)信號(hào)用于放大器累加電路，+2．5V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±15V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+3．3V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