STM32F103控制器的蓄电池双向电流检测

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：电压检测和电流检测。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。