STM32F103控制器的蓄电池双向电流检测

2011-03-31 10:18:26来源: 互联网 关键字:控制器  电流  检测

1 硬件设计
   
蓄电池组信号采集和处理的工作原理如图1所示。功能上包括独立的两部分:电压检测电流检测。其中电压检测实现较为简单。系统充放电电流的实时检测选用瑞士LEM公司的LA28-NP电流传感器


    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内核,工作频率为72MHz。该器件内置高速存储器(高达128 KB的闪存和20KB的SRAM),丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设;具有3个通用16位定时器和1个PWM定时器,以及2个I2C和2个SPI、3个USART、1个USB和1个CAN通信接口;工作于-40~+105℃的温度范围,供电电压为2.O~3.6 V,一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。STM32F103系列处理器不但具有高速可靠、资源丰富、工作温度和供电电压范围宽、功耗低、性价比高的特点,而且内部集成双路A/D转换器(16通道,12位精度,1 μs转换时间)。
1.1 电压检测
   
电压信号量的检测采用双电阻分压模式,取两个合适阻值的电阻串联分压,分压后的电压信号送入STM32F103处理器的A/D转换引脚。本设计中,控制器基准电压采用+2.5 V,故电压信号输入范围须小于或等于2.5 V,即:
   
    其中,Vbat为蓄电池组电压值,实际变化范围为20~28 V,这里Vbat取最大值28 V;R1和R2为分压电阻,均选用精度为1%的金属膜电阻。R1=102 kΩ,R2=10 Ω,R1和R2的串联电阻达到112 kΩ,消耗的电量对装备工作不会产生过大的影响。
1.2 充放电电流双向采样与处理
   
采用LA28-NP电流传感器对充放电电流进行实时检测。该传感器是利用霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器,原边回路和副边回路之间绝缘,可用于测量直交流脉冲和混合型电流,供电电压±15 V。系统中采用1000:5的匝比,原边回路的充放电±5 A电流对应副边回路的额定电流Is,其有效值为±25 mA。在应用中,感应电流Is通过精密电阻Rm,取得电压量V1,电阻Rm的取值取决于A/D转换器对于V2的要求。
    LA28-NP的输出电流为双向,即±25 mA的电流信号。在实际工作中,放电时输出最大电流为+25 mA,而充电时,输出最大电流为-25mA,由此而取得的电压信号V1相对于地电平也为相应的正负电压。STM32F103内置的ADC电压输入范围为Vref-≤Vin≤Vref+。本设计中Vref-接模拟地,Vref+接2.5 V基准电压,故ADC输入范围为O~2.5 V。目前存在的问题是:STM32F103采用单3.3 V工作,模拟量输入无法处理反向电压。在传统的方式下,如果电阻Rm基准电平端接入地,充电时V1为负电压,控制器无能为力。针对这个问题,本文设计了图2所示的累加升压、跟随反向信号预处理电路,解决了双向电流的A/D采样问题。


    该设计的基本思想是将双向电流的电压变化范围均控制在0~Vref+范围内。这是以牺牲A/D转换精度为代价的。详细过程如下:
    ①串入电阻Rm=50 Ω,获得模拟量电压输出V1范围为-1.25~+1.25 V。
    ②利用两门运算放大器构建求和电路,实现V1和+1.25 V基准电压累加,将V1扩展至0~-2.5 V。再做一次反向跟随放大,实现电压反向功能,输出电压V2为0~+2.5 V。
    运算放大器选用通用运放LM324,供电电压±15V,和电流传感器LA28-NP采用同一供电电路。
    取R3=R4=R5=10 kΩ,Vmid=-(1.25+V1),故Vmid电压范围为O~-2.5 V。

在第二级反相放大电路中可得:

    ③STM32F103的A/D转换器精度为12位,理论上对应数字量范围0~4096。实际情况下,由于接插件、线缆、PCB和器件的综合影响,充放电流计算公式为:y=kx-5.046,k=0.00244。在实际的程序编制中,k定义为float数据类型,至少取3位有效数字,才能保证O.01 A的电流精度。x表示A/D转换器得到的数字量。y表示实际电流值,负数表示充电电流,正数表示放电电流。充放电电流和A/D数字量的曲线关系如图3所示。



2 软件设计
2.1 基本思路

    监控系统软件的开发采用ARM公司的Real View MDK开发工具,统一采用C语言编程。为提高开发效率,ST公司推出了针对STM32控制器的固件函数库,目前的最新版本为STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.2.O。电压和电流检测A/D转换的软件设置如下:
    ①配置模拟量输入的GPIO口。STM32控制器有个很大的优点,其A/D转换输入引脚可以是任意GPIO,只要GPIO配置为GPIO_Mode_AIN模式,即可以实现模拟量输入。STM32F103共有16个外部通道,该设计中将PCA和PC6作为电压量和电流量的ADC输入端。
    ②将ADC设置为连续转换模式、右对齐、非外部触发。
    ③启动ADC,开始采样转换和处理。
2.2 软件滤波措施
   
该应用中电压量和电流量为变化较缓的信号,故软件采取防脉冲干扰平均滤波算法。连续采样N个数据,去掉一个最大值和一个最小值,然后计算N-2个数据的算术平均值。通过实验N取5时可达到满意的效果。该算法能够剔除偶然出现的脉冲性干扰,消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

3 提高信号检测精度的措施
   
为提高ADC处理的精度和系统抗干扰能力,该设计从ADC的使用、电压基准和供电、滤波及元器件的选择等方面采取了系列的措施。
3.1 ADC的使用
    使用STM32F103的ADC时考虑两个方面:
    ①两个模拟量输入口临近的引脚不安排数字量I/O。I/O脚之间存在耦合电容,因此I/O端口的翻转可能对ADC的模拟输入产生一些噪声。这可能是因为PCB走线过于靠近,或互相交叉而产生的。
    ②温度会对ADC的精度产生较大的影响,主要包括偏移误差和增益误差。这些误差可以通过微控制器的固件程序补偿。一种方法是,根据不同的温度范围测量出完整的偏移和增益变化,再在存储器中建立一个对照表,需要耗费额外的费用和时间。另一种方法是,当温度达到某个数值时,使用内部的温度传感器和ADC看门狗功能,重新校准。
3.2 电压基准芯片和独立电源供电
   
在该设计中为保证信号的质量,重要的电平信号采用专用芯片来实现。例如使用REF2912和REF2925电压基准芯片产生+1.25 V和+2.5 V两个电压基准源,+1.25 V基准信号用于放大器累加电路,+2.5 V基准信号提供给SFM32F103的Vref+。另外,模拟电路、控制器模拟供电和数字电路供电采用独立电源,由专用DC/DC提供±15 V电源,为电流传感器LA-28P及运算放大器LM324供电,STM32F103的模拟部分VDDA和数字部分VDD使用独立的+3.3 V供电。三种独立电源于一点共地,尽可能地减少电源间的互扰。这样做的好处是,避免了很多的I/O端口翻转操作在直流电源上产生的大量的噪声干扰。
3.3 其他抗干扰措施
   
该设计还采取了其他的一些抗干扰措施:STM32F103控制器的VDDA和Vref+引脚连接2个外部的去耦电容器(10 nF瓷介电容+1 μF的钽电容);模拟电路中的所有电阻采用1%精度的金属膜电阻;在PCB的布置中,模拟电路部分远离数字部分,避免了在模拟电路底下通过数字信号线。

结语
   
该设计实现了充放电电流信号的累加升压、跟随反向,利用STM32F103控制器片内12位A/D实现了实时监测。最终电压检测实际精度达到O.005 V,电流实际精度达到O.005 A,效果稳定、可靠,满足了设计要求。需进一步改进之处在于处理系统的温漂问题,即温度对电路的影响。

关键字:控制器  电流  检测

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0331/article_5293.html
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