ARM平臺(tái)下便攜式數(shù)控高精度mA電流源設(shè)計(jì)

邵　帆，牛綠偉

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽　471009)

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ARM平臺(tái)下便攜式數(shù)控高精度mA電流源設(shè)計(jì)

邵帆，牛綠偉

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009)

摘要：針對(duì)實(shí)際檢測技術(shù)中對(duì)高精度恒流電流源的需求，設(shè)計(jì)基于ARM平臺(tái)的便攜式數(shù)控高精度mA恒流源，該設(shè)計(jì)由STM32微控制器連接控制可編程電流源AD5420芯片，獲得高精度0～24 mA電流輸出。實(shí)際的工程項(xiàng)目結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的便攜式恒流源，操作簡便，最大誤差不超過輸出量程范圍的0.5%，具有較高的精度。

關(guān)鍵詞：mA電流源；ARM；STM32微控制器；可編程電流源DAC；便攜式

恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，也稱作穩(wěn)流源或電流源。實(shí)際檢測技術(shù)中，恒流源作為電路的激勵(lì)信號(hào)源，隨著電子技術(shù)的發(fā)展使用范圍越來越廣，在電子測量儀器、激光、傳感技術(shù)、超導(dǎo)、現(xiàn)代通信等高新技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。目前，在傳感器模擬電路中，一般的恒流源激勵(lì)信號(hào)幅度較小，以mA計(jì)算，此時(shí)電流偏差要求相對(duì)較高，需要作為激勵(lì)信號(hào)的恒流源具有較高的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)，為適應(yīng)測試需求或電路功能的擴(kuò)展要求，需要提供數(shù)字控制功能接口。

針對(duì)高精度便攜式恒流源的需求，提出了一種基于ARM平臺(tái)下STM32作為主控制器的設(shè)計(jì)，該恒流源能夠提供高精度的0～24 mA恒流輸出，并在此輸出范圍內(nèi)程控可調(diào)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前mA級(jí)恒流源的電路設(shè)計(jì)大多采用功率晶體管電路搭建[2]，或由DAC經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路輸出，數(shù)控功能則大多選擇單片機(jī)作為主控制器。為實(shí)現(xiàn)高精度mA級(jí)輸出，還需要增加ADC采樣反饋回路，增加了電路復(fù)雜度和系統(tǒng)成本。高精度便攜式恒流源采用ARM 內(nèi)核STM32作為主控制器，與單片機(jī)相比較，軟硬件優(yōu)勢明顯，性價(jià)比高，正被越來越多運(yùn)用于高集成度和低功耗的嵌入式系統(tǒng)中[3]。

該系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓電源電路、核心微控制器模塊、恒流輸出電路模塊、人機(jī)接口模塊和通信接口模塊組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1。其中人機(jī)接口模塊主要包含液晶顯示模塊和按鍵接口模塊。穩(wěn)壓電源模塊主要由外接USB接口或者內(nèi)部可充電鋰電池提供一級(jí)電源，再轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)功能電路所需電源電壓。微控制器模塊選用STM32F103RBT6作為系統(tǒng)的核心微處理器，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)工況監(jiān)測、人機(jī)接口控制和恒流電流輸出芯片控制等功能。恒流輸出電路模塊采用可編程電流源DAC芯片AD542，受STM32控制輸出0～24 mA范圍內(nèi)指定大小的恒流電流信號(hào)。OLED液晶顯示模塊顯示恒流源工作狀態(tài)參數(shù)。按鍵接口模塊用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，通信接口模塊則經(jīng)由RS232通信接口與上位微機(jī)進(jìn)行通信，接收指令和傳輸數(shù)據(jù)。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1穩(wěn)壓電源電路

針對(duì)便攜式恒流源的電源功率需求，兼顧接口使用的方便性，內(nèi)部穩(wěn)壓電源模塊配置有3.7 V輸出2 000 mAh容量可充電鋰電池，同時(shí)提供DC+5V 500 mA電源輸入U(xiǎn)SB接口，根據(jù)實(shí)際使用情況切換。經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換電路得到穩(wěn)定的+5 V電源，隨后再轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)功能電路所需各路電源電壓：模擬+5 V/-5 V、+15 V，數(shù)字+5 V，+3.3 V，參考電壓+3.3 V等。

2.2核心微控制器

本系統(tǒng)使用的主控芯片是基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RBT6，內(nèi)部128 kB FLASH和20KB SRAM。Cortex-M3內(nèi)核是為低功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的，具有突出的能效比和處理速度，通過采用Thumb-2高密度指令集，Cortex-M3降低了系統(tǒng)存儲(chǔ)要求，同時(shí)快速的中斷處理能夠滿足控制領(lǐng)域的高實(shí)時(shí)性要求，使基于該內(nèi)核設(shè)計(jì)的STM32系列微控制器能夠以更優(yōu)越的性價(jià)比面向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[4]。

2.3恒流輸出電路

不同于采用分立晶體管電路或者V/I電路搭建的技術(shù)方案，考慮到mA級(jí)恒流源設(shè)計(jì)的簡單性和可靠性，系統(tǒng)采用單片可編程電流源集成電路芯片AD5420直接輸出0～24 mA 電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。AD5420是可編程電流源輸出的低成本、精密、完全集成的16位轉(zhuǎn)換器，可滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的要求[5]。輸出電流范圍可編程為0～24 mA的超量程，輸出具有開路保護(hù)功能，可以驅(qū)動(dòng)1H的電感負(fù)載。設(shè)計(jì)中采用AVDD+15V的電源供電。AD5420同時(shí)提供靈活的SPI和MICROWIRE兼容接口，可在三線制模式下工作，可以方便地與STM32的SPI接口對(duì)接?？煽啃苑矫?，除了前述的開路保護(hù)功能外，還具備在已知狀態(tài)下上電的上電復(fù)位功能，以及將輸出設(shè)定為所選電流范圍低端的異步清零(CLEAR)引腳。所需的輸出配置可由用戶通過寫入控制寄存器選擇。其連接原理圖如圖2所示，具有電路調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。

圖2　可編程電流源電路連接原理圖

與分立電路方案相比，可編程電流源芯片內(nèi)部的精密數(shù)字電流環(huán)路輸出轉(zhuǎn)換器，將DAC內(nèi)核的電壓輸出轉(zhuǎn)換為電流，然后鏡像至供電軌，從而得到一個(gè)相對(duì)于地的電流源輸出，為產(chǎn)生mA級(jí)恒流源信號(hào)提供了一種高精度、全集成、低成本的解決方案。當(dāng)輸出范圍為0～24 mA時(shí)，恒流輸出電路的傳遞函數(shù)可以用以下式描述，

(1)

其中iout為輸出電流，N為片內(nèi)DAC的位分辨率，對(duì)于AD5420而言取N=16，D為通過SPI接口寫入到片內(nèi)DAC數(shù)據(jù)寄存器中的十進(jìn)制數(shù)值。

2.4人機(jī)接口模塊

系統(tǒng)的人機(jī)接口模塊硬件實(shí)現(xiàn)十分簡潔，主要包括按鍵接口功能和OLED液晶顯示功能。按鍵接口主要實(shí)現(xiàn)輸出參數(shù)的配置功能，使用STM32的I/O口直接控制，其電路相對(duì)簡單，不再贅述。液晶顯示模塊綜合考慮模塊功耗和可視范圍等因素，選擇使用0.96英寸OLED模塊代替常規(guī)的LCD模塊，相同分辨率下(128×64)功耗更省，體積更小，接口簡便，適于便攜式應(yīng)用。OLED模塊的電氣連接原理圖如圖3，主要用于系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置。

圖3　OLED顯示模塊電氣連接原理圖

2.5通信接口模塊

通信接口模塊用于與上位微機(jī)進(jìn)行通信，接收遠(yuǎn)程程控指令和傳輸系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，考慮到可靠性和實(shí)用性，系統(tǒng)通信接口采用成熟的RS232電氣接口。STM32的I/O管腳為3.3VLVTTL，需要通過MAX3232CSE芯片轉(zhuǎn)換為RS232電平接口。

3應(yīng)用軟件

便攜式恒流源系統(tǒng)軟件與前述的硬件電路功能模塊對(duì)應(yīng)，可以劃分為：電源狀態(tài)監(jiān)測、STM32核心模塊、恒流程控輸出、人機(jī)接口管理、通信接口功能等。另外再增加初始化模塊，用于設(shè)置STM32核心電路和各功能電路的初始狀態(tài)?？紤]到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，沒有采用嵌入式操作系統(tǒng)，直接在主函數(shù)中以分時(shí)和中斷的方式調(diào)用各功能模塊子函數(shù)。SPI總線驅(qū)動(dòng)的程控恒流輸出函數(shù)軟件流程圖如圖4。

圖4　程控恒流輸出函數(shù)軟件流程

4結(jié)論

應(yīng)用于某型測試設(shè)備時(shí)，開機(jī)30 min后，待電路工作穩(wěn)定后，數(shù)控高精度mA電流源輸出從0 mA遞增到20 mA，再從20 mA遞減到0 mA，利用經(jīng)過校準(zhǔn)的FLUKE45B五位半臺(tái)式數(shù)字萬用表對(duì)恒流源輸出電流進(jìn)行測試。程控恒流輸出誤差測試結(jié)果如圖5所示。

圖5　程控恒流輸出誤差測試結(jié)果

實(shí)際測試效果表明，受系統(tǒng)電路非線性因素等的影響，實(shí)際輸出電流的精度與式(1)計(jì)算得到的理想精度相比有所下降，在全量程范圍內(nèi)，實(shí)測值與設(shè)定值相比最大誤差小于1 μA，小于全量程范圍FSR的0.5%，滿足該設(shè)備所需的測試精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦玲,賴青貴,張良,等.基于運(yùn)算放大器的壓控恒流源[J].強(qiáng)激光與粒子束,2010,22(3):553-556.

[2]黃靜,何青.基于功率MOS管恒流源電路的研究[J].電力學(xué)報(bào),2014,29(1):43-47,51.

[3]榮軍,張敏,李一鳴,等.基于單片機(jī)的恒流源技術(shù)研究[J].電子器件,2011,34(01):63-65.

[4]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.[5]Analog Device Inc.AD5420 data sheet (Rev.H)[EB/OL].[2015-06-12].http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD5410_5420.pdf.

(責(zé)任編輯唐定國)

本文引用格式：邵帆，牛綠偉.ARM平臺(tái)下便攜式數(shù)控高精度mA電流源設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(5):120-122.

Citation format:SHAO Fan,NIU Lyu-wei.Portable High Accuracy mA Constant-Current Source Design Based on ARM[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):120-122.

Portable High Accuracy mA Constant-Current Source Design Based on ARM

SHAO Fan,NIU Lyu-wei

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China)

Abstract:Aiming at the requirement of high precision constant current source in the actual detection technology,the portable numerical control high precision mA constant current source was designed based on ARM platform.It was designed that the STM32 MCU controlled the programmable current source AD5420 chip and obtained high precision 0～24 mA current output.The actual operation results show that the design of the portable constant current source is simple with higher accuracy and the maximum error is not more than 0.5%of the output range.

Key words:mA current source; ARM; STM32 MCU; programmable current source DAC; portable

doi:【信息科學(xué)與控制工程】10.11809/scbgxb2016.05.029

收稿日期：20155-11-02；修回日期：2015-12-10

作者簡介：邵帆(1983—)，男，工程師，主要從事機(jī)載武器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)05-0120-03