STM32F103控制器的蓄電池雙向電流檢測

1 硬件設(shè)計(jì)
蓄電池組信號采集和處理的工作原理如圖1所示。功能上包括獨(dú)立的兩部分：電壓檢測和電流檢測。其中電壓檢測實(shí)現(xiàn)較為簡單。系統(tǒng)充放電電流的實(shí)時檢測選用瑞士LEM公司的LA28-NP電流傳感器。

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內(nèi)核，工作頻率為72MHz。該器件內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128 KB的閃存和20KB的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I／O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)；具有3個通用16位定時器和1個PWM定時器，以及2個I2C和2個SPI、3個USART、1個USB和1個CAN通信接口；工作于-40～+105℃的溫度范圍，供電電壓為2．O～3．6 V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。STM32F103系列處理器不但具有高速可靠、資源豐富、工作溫度和供電電壓范圍寬、功耗低、性價比高的特點(diǎn)，而且內(nèi)部集成雙路A／D轉(zhuǎn)換器(16通道，12位精度，1 μs轉(zhuǎn)換時間)。
1．1 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A／D轉(zhuǎn)換引腳。本設(shè)計(jì)中，控制器基準(zhǔn)電壓采用+2．5 V，故電壓信號輸入范圍須小于或等于2．5 V，即：

其中，Vbat為蓄電池組電壓值，實(shí)際變化范圍為20～28 V，這里Vbat取最大值28 V；R1和R2為分壓電阻，均選用精度為1％的金屬膜電阻。R1=102 kΩ，R2=10 Ω，R1和R2的串聯(lián)電阻達(dá)到112 kΩ，消耗的電量對裝備工作不會產(chǎn)生過大的影響。
1．2 充放電電流雙向采樣與處理
采用LA28-NP電流傳感器對充放電電流進(jìn)行實(shí)時檢測。該傳感器是利用霍爾原理的閉環(huán)(補(bǔ)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±15 V。系統(tǒng)中采用1000：5的匝比，原邊回路的充放電±5 A電流對應(yīng)副邊回路的額定電流Is，其有效值為±25 mA。在應(yīng)用中，感應(yīng)電流Is通過精密電阻Rm，取得電壓量V1，電阻Rm的取值取決于A／D轉(zhuǎn)換器對于V2的要求。
LA28-NP的輸出電流為雙向，即±25 mA的電流信號。在實(shí)際工作中，放電時輸出最大電流為+25 mA，而充電時，輸出最大電流為-25mA，由此而取得的電壓信號V1相對于地電平也為相應(yīng)的正負(fù)電壓。STM32F103內(nèi)置的ADC電壓輸入范圍為Vref-≤Vin≤Vref+。本設(shè)計(jì)中Vref-接模擬地，Vref+接2．5 V基準(zhǔn)電壓，故ADC輸入范圍為O～2．5 V。目前存在的問題是：STM32F103采用單3．3 V工作，模擬量輸入無法處理反向電壓。在傳統(tǒng)的方式下，如果電阻Rm基準(zhǔn)電平端接入地，充電時V1為負(fù)電壓，控制器無能為力。針對這個問題，本文設(shè)計(jì)了圖2所示的累加升壓、跟隨反向信號預(yù)處理電路，解決了雙向電流的A／D采樣問題。

該設(shè)計(jì)的基本思想是將雙向電流的電壓變化范圍均控制在0～Vref+范圍內(nèi)。這是以犧牲A／D轉(zhuǎn)換精度為代價的。詳細(xì)過程如下：
①串入電阻Rm=50 Ω，獲得模擬量電壓輸出V1范圍為-1．25～+1．25 V。
②利用兩門運(yùn)算放大器構(gòu)建求和電路，實(shí)現(xiàn)V1和+1．25 V基準(zhǔn)電壓累加，將V1擴(kuò)展至0～-2．5 V。再做一次反向跟隨放大，實(shí)現(xiàn)電壓反向功能，輸出電壓V2為0～+2．5 V。
運(yùn)算放大器選用通用運(yùn)放LM324，供電電壓±15V，和電流傳感器LA28-NP采用同一供電電路。
取R3=R4=R5=10 kΩ，Vmid=-(1．25+V1)，故Vmid電壓范圍為O～-2．5 V。