基于STM32F103控制器的蓄電池雙向電流檢測設計.doc

基于STM32F103控制器的蓄電池雙向電流檢測設計 高兵權 肖學福 劉金彪 張揚奇 摘要：介紹了裝備蓄電池組工作電壓和電流實現(xiàn)檢測的需求，利用運算放大器構建了正負雙向電流量累積求和及跟蹤反向的預處理電路，基于STM32F103控制器片內AD實現(xiàn)了12位電壓和電流的信號采集轉換。最后給出了主要程序片段和如何提高ADC精度的一些措施。關鍵詞：STM32，控制器，雙向，電流，檢測中圖分類號：TB51 文獻標識碼：AThe Design of Bidirectional Battery Current Detection With STM32F103 Controller Gao Bing-quan, Xiao Xue-fu, Liu Jin-biao Zhang Yang-qi（Institute of Military Transportation ，Tianjin，300161）Abstract:The need of equipment battery voltage and current real-time detection is introduced. Build the bidirectional current sum, trace and reverse pre-process circuit with operational amplifier. achieve the 12 bit voltage and current signal collection and conversion based on STM32F103 internal AD.At last the main program segment and the methods of How to get the best ADC accuracy are given.Keywords: STM32，Controller，Bidirectional，Current，Detection1.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，需要實時掌握其內部集成的鉛酸蓄電池組的工作狀態(tài)，主要狀態(tài)參數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。具體參數指標是：蓄電池組標稱值DC24V，充放電電流在5A以內。電壓檢測精度要求0.01V，電流檢測精度要求0.01A，即小數點后保證兩位有效數字。據此本文設計了基于STM32F103VB嵌入式控制器為核心的信號處理、采樣和計算的軟硬件控制系統(tǒng)。STM32F103系列控制器由意法半導體公司（ST）推出，使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。該器件包含3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。STM32F103xx增強型系列工作于-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用的要求1。該設計選用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、性價比高的特點，尤其是其內部集成雙路AD轉換器，16通道，12位精度，1s轉換時間。2.蓄電池組電壓和電流采樣處理過程設計的蓄電池組工作狀態(tài)實時檢測系統(tǒng)如圖1所示，功能上包括獨立的兩部分：電壓檢測和電流檢測。其中電壓檢測實現(xiàn)較為簡單。圖1 信號采集和處理的工作原理圖2.1電壓檢測電壓信號量的檢測采用雙電阻分壓模式，取兩個合適阻值的電阻串聯(lián)分壓，分壓后的電壓信號送入STM32F103處理器的AD轉換引腳。本設計中，控制器基準電壓采用+2.5V，故電壓信號輸入范圍須小于等于2.5V。而分壓電阻R1和R2的關系有公式（1）開確定，即VbatR1+R2 R2 2.5V （1）其中Vbat為蓄電池組電壓值，實際變化范圍：20V28V，取Vbat最大值28V，R1=102k，R2=10，均選用精度為1的金屬膜電阻。R1和R2的串聯(lián)電阻達到112 k，消耗的電量對裝備工作不會產生過大的影響。2.2充放電電流雙向采樣與處理系統(tǒng)充放電電流的實時檢測選用瑞士LEM公司LA28-NP電流傳感器，該傳感器是利用霍爾原理的閉環(huán)（補償）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15V。系統(tǒng)中采用1000：5的匝比，原邊充放電5A電流對應副邊額定電流Is有效值為25mA。在應用中，感應電流Is串聯(lián)精密電阻Rm，取得電壓量V1，電阻Rm的取值取決于AD轉換器對于V2的要求。電流傳感器輸出電流為雙向，即25mA的電流信號,在實際工況中，放電時輸出最大+25mA電流，而充電時，輸出為-25mA電流，由此而取得的電壓信號V1相對于地電平也為相應的正負電壓。STM32F103控制器ADC輸入范圍為：Vref-VinVref+，應用中Vref-接模擬地，Vref+接2.5V電壓基準，故ADC輸入范圍：02.5V。目前存在的問題是：STM32F103控制器采用單3.3V工作，模擬量輸入無法處理方向電壓。在傳統(tǒng)的方式下，如果電阻Rm基準電平端接入地，當充電工況下，感應電流V1為負電壓，控制器無能為力。針對這個問題，本文設計了如圖2所示的累加升壓、跟隨方向信號預處理電路，解決了雙向電流的AD采樣問題。圖2 電壓累加升壓、跟隨反向轉換電路該設計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，是以犧牲AD轉換的精度為代價的，詳細過程如下：（1）串入電阻Rm=50，取得模擬量電壓輸出V1范圍：-1.25V+1.25V；（2）利用兩門運算放大器構建求和電路，實現(xiàn)V1和+1.25V電壓基準累加，將V1升壓至0-2.5V。在做一次反向跟隨放大，實現(xiàn)電壓反向功能，輸出電壓V2范圍0+2.5V。圖2中電壓Vmid = -R5R31.25 + R5R4Vin。取R3=R4=R5=10k，Vmid = -（1.25+Vin），故Vmin電壓范圍取值：0-2.5V。在第二級的反相放大電路中Vout=-R7R6Vmid。取R6=R7=10k，則Vout = -Vmid，Vout取值范圍：0+2.5V。運算放大器選用通用運放LM324，供電電壓15V,和電流傳感器LA28-NP采用同一供電電路。（3）STM32F103控制器AD轉換為12位精度，理論上對應數字量范圍04096。實際情況下，由于接插件、線纜、PCB和器件的綜合影響，求得放充電流計算公式為：y=kx-5.046，k=0.00244，在實際的程序編制中，k定義為float數據類型，至少取3位有效數字，才能保證0.01A的電流精度。x表示控制器AD轉換得到的數字量，y表示實際電流值，負數表示充電電流，正數表示放電電流。圖3 充放電電流和AD數字量的曲線關系3.軟件編制3.1軟件設計基本思路監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用ARM公司的RealView 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STM32控制器的固件函數庫，目前可用的最新版本為STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.2.0。電壓和電流檢測AD轉換軟件設置及工作過程較為簡單。（1）配置模擬量輸入的GPIO口，STM32控制器有個很大的優(yōu)點，在于其ADC轉換輸入引腳可以是任意GPIO，只要GPIO配置為GPIO_Mode_AIN模式，即可以實現(xiàn)模擬量輸入，STM32F103共有16個外部通道，該設計中將PC4好PC6作為電壓量和電流量的ADC輸入端；（2）設置ADC，將ADC設置為連續(xù)轉換模式、右對齊、非外部觸發(fā)；（3）啟動ADC，開始采樣轉換和處理。3.2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, &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_InitStructure.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_55Cycles5); 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); / 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); 3.3軟件濾波措施該應用中考慮電壓量和電流量為變化較緩的信號，故軟件采取防脈沖干擾平均濾波算法。連續(xù)采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。通過實驗N取值5，即可達到滿意的效果。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。4.提高信號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，該設計從控制器ADC使用、電壓基準和供電、濾波及元器件的選擇等方面采取了系列的措施。4.1控制器ADC使用在STM32F103控制器的ADC使用中，考慮了兩個方面，一是兩個模擬量輸入口臨近的管腳不安排數字量IO，因為I/O腳之間的耦合電容，I/O端口的翻轉可能對ADC的模擬輸入產生一些噪聲。可能會因為PCB走線過于靠近，或互相交叉而產生這樣的串擾影響。內部數字信號和I/O腳的翻轉會產生高頻的噪聲；二是溫度會對ADC的精度產生較大的影響，主要有2項誤差：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償。一個方法是根據不同的溫度范圍，測量出完整的偏移和增益變化，再在存儲器中建立一個對照表。這樣的方式需要額外的費用和時間。另一個方式是當溫度達到某個數值時，使用內部的溫度傳感器和ADC看門狗功能，重新校準。4.2電壓基準芯片和獨立電源供電在該設計中為保證信號的質量，重要的電平信號采用專用芯片來實現(xiàn)，如使用REF2912和REF2925電壓基準芯片產生+1.25V和+2.5V兩個電壓基準源，+1.25V基準信號用于放大器累加電路，+2.5V基準信號提供給STM32F103控制器Vref+；其次，模擬電路、控制器模擬供電和數字電路供電采用獨立電源，由專用DC/DC提供15V電源，為LA-28P電流傳感器及LM324運算放大器供電，STM32控制器模擬部分VDDA和數字部分VDD使用獨立的+3.3V供電。最后三種獨立電源于一點共地，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端口翻轉操作在直流電源上產生的大量噪聲干擾。4.3其它抗干擾措施另外，該設計還采取了其它的一些抗干擾措施，如在STM32F103控制器的VDDA和Vref+管腳連接到2個外部的去藕電容器(10nF瓷介電容+1F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，模擬電路部分遠離數字部分，避免了在模擬