基于STM32的程控直流電子負載

摘 要 設(shè)計了基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片為控制核心的硬件系統(tǒng)，采用硬件PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成串聯(lián)負反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，提高電流控制精度。軟件直流采樣部分采用防脈沖干擾的中位值平均濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進行處理，減小隨機誤差對電子負載性能的影響，最終實現(xiàn)恒流和恒阻兩種工作模式。并且，采用LCD顯示屏進行模式的切換和參數(shù)的設(shè)定，實現(xiàn)了較好的人機交互。詳細研究了PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計和中位值平均濾波算法對負載參數(shù)精度提高的影響，設(shè)計了一種低成本，較高精度，人機交互較好的程控電子負載。

【關(guān)鍵詞】電子負載 PI調(diào)節(jié)器 濾波算法 STM32

1 引言

在各種電子產(chǎn)品設(shè)計中需要用到負載測試，如蓄電池放電試驗，購買電池、電源時等都需要負載測試。當(dāng)前，國內(nèi)外對上述產(chǎn)品的試驗一般都采用傳統(tǒng)的靜態(tài)負載（電阻箱、滑線變阻器等）能耗放電的辦法進行。

縱觀直流電源的發(fā)展史，從復(fù)雜、笨重的線性電源到高效便捷的開關(guān)電源，從簡單的模擬電源到復(fù)雜的數(shù)控電源，電源逐漸覆蓋了我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，因而人們對電子負載的需要越來越多，對其功能的要求也越來越高。而傳統(tǒng)的電源檢測技術(shù)在測試電源性能時，往往需要接入不同性質(zhì)、阻值的負載，傳統(tǒng)的測試方法存在很大的局限性，如大功率可變電阻體積較大，分離電阻元件阻值不連續(xù)。為準(zhǔn)確檢測電源的可靠性和帶載能力，因此本文把電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)電源的可靠檢測。在傳統(tǒng)直流電源的基礎(chǔ)上，利用微處理器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，結(jié)合軟件編程，對電子負載進行程序控制。同時，應(yīng)用控制理論設(shè)計一套高效的控制算法，來提高電子負載的控制精度，數(shù)據(jù)直觀的顯示在LCD觸摸屏上，實現(xiàn)較好的人機交互，并能實現(xiàn)恒流、恒阻等模式的切換。

本程控直流電子負載采用硬件、軟件雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模擬電阻性負載相比較具有成本低、性能好等長處，由于程控電子負載相較于模擬電阻性負載具有更多的優(yōu)點，電子負載被越來越多地應(yīng)用到各種實驗場所，有著廣闊的市場和廣泛的應(yīng)用前景。

2 程控直流電子負載的原理及整體方案

目前的恒流電路大都是在基本恒流電路的基礎(chǔ)之上進行改進，逐漸發(fā)展成形。目前應(yīng)用比較廣泛的有線性調(diào)節(jié)和開關(guān)式調(diào)節(jié)兩種電流調(diào)節(jié)方式，分別對這兩種調(diào)節(jié)方式的特點進行總結(jié)，得到表1。

吸取現(xiàn)階段程控直流電子負載設(shè)計的優(yōu)點。如圖1所示，本程控直流電子負載方案構(gòu)成為，STM32F103單片機通過內(nèi)部集成的D/A，A/D模塊來調(diào)節(jié)給定電壓值，再經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換電路改變輸出電流值，外圍可以適當(dāng)?shù)脑黾舆\放電路來比例調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的大小。增加了保護電路，采用運算放大器構(gòu)成的窗口比較器，采樣電壓位于窗口值以內(nèi)時，保護電路不動作，一旦采樣電壓值越界，保護電路及時切斷電源，并反饋給單片機，單片機控制聲光報警裝置提醒用戶。并且LCD顯示屏替換了傳統(tǒng)的顯示器，可以顯示電壓、電流、英文標(biāo)注并且負載參數(shù)顯示精度可以達到三位數(shù)。

3 程控電子負載的硬件設(shè)計

程控電子負載的硬件設(shè)計是整個電子負載設(shè)計的基礎(chǔ)。硬件設(shè)計主要包括單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計和外圍電路的設(shè)計，考慮如何實現(xiàn)功能的同時還必須兼顧元器件之間的相互影響的問題。本章從單片機系統(tǒng)的設(shè)計、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計、PI調(diào)節(jié)器模塊的設(shè)計這幾個方面進行硬件設(shè)計開發(fā)。

3.1 單片機系統(tǒng)設(shè)計

單片機系統(tǒng)主要是由單片機最小系統(tǒng)及LCD顯示器、外部按鍵、聲光報警電路這些外圍電路一起構(gòu)成的數(shù)字電路控制模塊。

顯示器件采用LCD液晶屏，顯示模塊的內(nèi)部包含有一個液晶控制芯片 ILI9341，顯示時，各種模塊共同作用把 GRAM存儲單元中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成液晶面板的控制信號，使像素點呈現(xiàn)特定的顏色，各個像素點組合起來則成為一幅完整的圖像來實現(xiàn)液晶顯示。本設(shè)計用STM32F103的FSMC接口實現(xiàn)控制LCD的8080時序，較好的實現(xiàn)人機交互。采用矩陣鍵盤作為外部按鍵，蜂鳴器與LED實現(xiàn)聲光報警，完成整個單片機系統(tǒng)的設(shè)計。

3.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

V/I轉(zhuǎn)換電路是整個程控電子負載的核心電路，V/I轉(zhuǎn)換電路是一種將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流的電路，電子負載外接電源供電時，流過電子負載的電流值不會隨著外部電壓的改變而改變，而是僅取決于控制電壓的大小。

如圖2所示，外部電源V1為電子負載提供電壓，R1為電流檢測電阻。運算放大器U5與R8、C1組成PI調(diào)節(jié)器，Q1構(gòu)成場效應(yīng)管電路。電子負載內(nèi)部電路上R1上的電壓值，送入U6運放構(gòu)成的前置放大器，進行電壓放大后送入由U5運放，該運放構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器對場效應(yīng)管的Vgs進行調(diào)節(jié)，控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻進而達到恒流的目的。

下面通過計算來說明V/I轉(zhuǎn)換電路的工作原理：

設(shè)流過反饋電阻的電流為If，則反饋電壓為

由上式可知，當(dāng)電阻R2、R4、R6、R7、Rf的阻值固定，輸出的電流值只跟輸入電壓有關(guān)，與外加電源電壓的大小無關(guān)，外部電壓在合適的范圍內(nèi)改變時，輸出電流恒定。

因為A/D模塊只能對外部電壓的大小進行檢測，所以檢測電流時用電阻R1將電子負載電路中的電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號送入A/D模塊進行檢測。負載電流I與電流采樣點電壓Uf的關(guān)系為

電壓采樣電路中，由于電子負載的輸入電壓范圍比較寬，實際工作電壓較高，采樣前首先進行了分壓設(shè)計。如圖2所示采用1/11的分壓被試電源兩端的電壓U與電壓采樣點電壓Ur5的關(guān)系為

根據(jù)電壓檢測電路所檢測到的電壓值，可以知道電子負載兩端的實時電壓值，根據(jù)矩陣鍵盤輸入的電阻值和A/D模塊檢測到電路兩端的電壓值則可以計算出電路中應(yīng)當(dāng)存在的實時電流值，再根據(jù)恒流原理D/A模塊對電流值進行精確控制則可以實現(xiàn)恒阻模式。恒阻模式下電壓U與電路中電流I的關(guān)系為

因為R1=0.2Ω，電路中的電流100mA

3.3 PI調(diào)節(jié)電路的設(shè)計

為了提高電子負載的穩(wěn)定性，本設(shè)計在傳統(tǒng)的V/I轉(zhuǎn)換電路上進行了改進，增加了由運算放大器構(gòu)成的硬件PI調(diào)節(jié)器，達到快速穩(wěn)定電流輸出的目的。PI調(diào)節(jié)器如圖3所示。

對于電子負載的設(shè)計，精確度是一個不容忽視問題?？刂芃OS管導(dǎo)通量的變換是一個不停變化調(diào)節(jié)的過程，傳統(tǒng)的比較器僅僅只是比較設(shè)置值與實測值，比較后的輸出作用于MOS管的門極。這樣的反饋系統(tǒng)只能使MOS管在通和短兩種狀態(tài)下切換，而PI調(diào)節(jié)器可以更加精確的調(diào)節(jié)MOS管的導(dǎo)通角，使其導(dǎo)通角更夠在更大的范圍內(nèi)進行調(diào)整。如圖3所示的PI調(diào)節(jié)器，其輸出電壓Vout由比例和積分兩個部分組成，零狀態(tài)的階躍響應(yīng)的輸出電壓的時間特性如圖4所示。

瞬間加入輸入電壓Uin時，開始的瞬間電容C1相當(dāng)于短路，反饋阻抗只有電阻R3，輸出電壓從0跳變到K×Uin。隨著電容C1被充電UO不斷線性增長，直到達到最大放大電壓或運算放大器飽和。

因此，比例積分器擁有比例控制和積分控制兩種優(yōu)點，比例控制部分能夠迅速響應(yīng)外部輸入，積分控制部分能夠消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)對MOS管導(dǎo)通角的有效控制，只要負載電路中的實測值與設(shè)定值之間有偏差，輸出就會反復(fù)調(diào)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。

PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，理論輸出值r（t）與實際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差

將偏差的比例P和積分I通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，規(guī)律為

e（t）為PI控制器的輸入，u（t）為PI控制器的輸出，K為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)。通常K的增大會使閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)主要作用于消除靜差，積分作用的強弱取決于積分常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強。積分作用越弱，系統(tǒng)響應(yīng)速度越慢。

本設(shè)計，為了較快且更加精確的消除誤差，取R1=R2=R3=10KΩ，C1=1uF。

所以，本設(shè)計的PI調(diào)節(jié)器K=1，TI=0.01s。

4 程控電子負載的軟件設(shè)計

軟件部分主要分為整體控制設(shè)計和中位值濾波算法設(shè)計兩個部分。

4.1 整體控制設(shè)計

程控電子負載的主程序設(shè)計主要采模塊化設(shè)計的方式。單片機工作流程圖如圖5所示。當(dāng)打開單片機電源，單片機啟動并開始工作時用了。單片機先單片機只執(zhí)行按鍵查詢、LCD顯示等功能，顯示開始界面，此時可以選擇進入恒流或者恒阻模式。進入恒流、恒阻模式后輸入設(shè)定的電流、電阻預(yù)置值，則完成負載設(shè)置，單機啟動運算子程序開始運算所需輸出電壓值，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，通過外部PI調(diào)節(jié)器和內(nèi)部閉環(huán)調(diào)節(jié)來控制MOSFET的柵極電壓，完成負載調(diào)節(jié)，在恒流、恒阻的工作模式下都進行A/D電壓、電流檢測，測出電子負載的實際電壓和電流值，并通過液晶顯示屏顯示出來。如果電子負載在工作過程中出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致電子負載內(nèi)部電流過大，達到可以損壞該設(shè)計的閾值時，單片機會迅速產(chǎn)生中斷，向外界發(fā)出報警信號的同時結(jié)束整個系統(tǒng)的工作，保護內(nèi)部電路不被燒毀。

4.2 A/D采樣濾波算法的設(shè)計

對于A/D采樣來說，一次的采樣數(shù)據(jù)不能合理的代表當(dāng)前時刻的電壓值，因為有外部和內(nèi)部各種干擾的存在，會對采樣值造成一定的誤差，為了克服這種誤差，可以采用數(shù)字濾波的方法對隨機予以消除。本設(shè)計采用中位值平均濾波算法（防脈沖干擾平均濾波算法）其融合了“中位值濾波算法”能有效克服因偶然因素引起的波動干擾和“算數(shù)平均濾波算法”適用于信號求均值的優(yōu)點，可消除脈沖信號干擾和采樣值偏差。程序流程圖如圖6。

該方法的思路為，連續(xù)采樣n個數(shù)據(jù)，將這一組數(shù)據(jù)進行排序，去除最大值和最小值，計算n-2個數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值，作為最后的結(jié)果。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)n取10的時候效果較好 。

5 樣機測試結(jié)果

文章按照本設(shè)計，制作了負載樣機，測試性能滿足如下要求：

（1）電流輸入范圍：0～1A，分辨率：0.01A，精度：5%

（2）恒阻模式：1Ω～2KΩ，分辨率：1Ω，精度：5%

首先測試系統(tǒng)的恒流特性，將直流電源和電子負載構(gòu)成閉合回路，設(shè)定不同的放電電壓，將得到的測試電流和目標(biāo)電流值相比較，分析誤差。

表2為恒流模式下的測試數(shù)據(jù)節(jié)選。電流精度在5%內(nèi)時，設(shè)備兩端電壓變化范圍較廣。輸出電流分辨率可以達到10mA，可以達到設(shè)計要求。相較于現(xiàn)階段的恒流電子負載，提高了電流分辨率和恒流情況下電壓變化范圍 。

表3為恒阻模式下的部分測試結(jié)果，在設(shè)定電阻值不大的時候，外部提供較大的電壓，電子負載上電流值較大時實際電阻值和目標(biāo)電阻值差距不大。隨著目標(biāo)電阻增加，電子負載上的電流減小，D/A輸出控制精度達不到要求則誤差會增大，此時如果增加外部電壓來提升電路中電流，則會導(dǎo)致A/D檢測電壓超出范圍或測試不準(zhǔn)確也會使整體誤差增大。在該設(shè)計中，恒阻模式下，電阻值設(shè)置到500Ω以下使恒阻效果較好，誤差較小。若電阻值大于500Ω時也能在一定的電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)恒阻，但電壓范圍較小，誤差較大。

6 結(jié)束語

本文在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種高性價比的程控直流電子負載。詳細討論了程控直流電子負載的硬件、軟件雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計。樣機測試結(jié)果證明，設(shè)計的電子負載具有較高的穩(wěn)定性，性能優(yōu)良，滿足設(shè)計要求。

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作者簡介

劉俊杰（1997-），男，大學(xué)本科在讀。通信工程專業(yè)。研究方向為嵌入式技術(shù)。

作者單位

武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 湖北省武漢市 430070