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" title="電壓檢測">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" title="充放電">充放電電流的實(shí)時(shí)檢測選用瑞士LEM公司的LA28-NP電流傳感器,。

    ST公司推出的STM32F103" title="STM32F103">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(chǔ)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(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器,，以及2個(gè)I2C和2個(gè)SPI,、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN通信接口；工作于-40～+105℃的溫度范圍,，供電電壓" title="供電電壓">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(jià)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(shí)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(gè)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(huì)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(shí)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(shí)輸出最大電流為+25 mA,，而充電時(shí),，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(shí)V1為負(fù)電壓,，控制器無能為力,。針對這個(gè)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(jià)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,。
    在第二級反相放大電路中可得：

    ③STM32F103的A／D轉(zhuǎn)換器精度為12位,，理論上對應(yīng)數(shù)字量范圍0～4096,。實(shí)際情況下，由于接插件,、線纜,、PCB和器件的綜合影響，充放電流計(jì)算公式為：y=kx-5．046,，k=0．00244,。在實(shí)際的程序編制中，k定義為float數(shù)據(jù)類型,，至少取3位有效數(shù)字,，才能保證O．01 A的電流精度。x表示A／D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字量,。y表示實(shí)際電流值,，負(fù)數(shù)表示充電電流，正數(shù)表示放電電流,。充放電電流和A／D數(shù)字量的曲線關(guān)系如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 基本思路
    監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用ARM公司的Real View MDK開發(fā)工具,，統(tǒng)一采用C語言編程,。為提高開發(fā)效率，ST公司推出了針對STM32控制器的固件函數(shù)庫,，目前的最新版本為STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3．2．O,。電壓和電流檢測A／D轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)置如下：
    ①配置模擬量輸入的GPIO口。STM32控制器有個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn),，其A／D轉(zhuǎn)換輸入引腳可以是任意GPIO,，只要GPIO配置為GPIO_Mode_AIN模式，即可以實(shí)現(xiàn)模擬量輸入,。STM32F103共有16個(gè)外部通道,，該設(shè)計(jì)中將PCA和PC6作為電壓量和電流量的ADC輸入端。
    ②將ADC設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式,、右對齊,、非外部觸發(fā)。
    ③啟動(dòng)ADC,，開始采樣轉(zhuǎn)換和處理,。
2．2 軟件濾波措施
    該應(yīng)用中電壓量和電流量為變化較緩的信號，故軟件采取防脈沖干擾平均濾波算法,。連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù),，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值,。通過實(shí)驗(yàn)N取5時(shí)可達(dá)到滿意的效果,。該算法能夠剔除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾,，消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

3 提高信號檢測精度的措施
    為提高ADC處理的精度和系統(tǒng)抗干擾能力,，該設(shè)計(jì)從ADC的使用,、電壓基準(zhǔn)" title="電壓基準(zhǔn)">電壓基準(zhǔn)和供電、濾波及元器件的選擇等方面采取了系列的措施,。
3．1 ADC的使用
    使用STM32F103的ADC時(shí)考慮兩個(gè)方面：
    ①兩個(gè)模擬量輸入口臨近的引腳不安排數(shù)字量I／O,。I／O腳之間存在耦合電容，因此I／O端口的翻轉(zhuǎn)可能對ADC的模擬輸入產(chǎn)生一些噪聲,。這可能是因?yàn)镻CB走線過于靠近,，或互相交叉而產(chǎn)生的。
    ②溫度會(huì)對ADC的精度產(chǎn)生較大的影響,，主要包括偏移誤差和增益誤差,。這些誤差可以通過微控制器的固件程序補(bǔ)償。一種方法是,，根據(jù)不同的溫度范圍測量出完整的偏移和增益變化,，再在存儲(chǔ)器中建立一個(gè)對照表，需要耗費(fèi)額外的費(fèi)用和時(shí)間,。另一種方法是,，當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)數(shù)值時(shí)，使用內(nèi)部的溫度傳感器和ADC看門狗功能,，重新校準(zhǔn),。
3．2 電壓基準(zhǔn)芯片和獨(dú)立電源供電
    在該設(shè)計(jì)中為保證信號的質(zhì)量，重要的電平信號采用專用芯片來實(shí)現(xiàn),。例如使用REF2912和REF2925電壓基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生+1．25 V和+2．5 V兩個(gè)電壓基準(zhǔn)源,，+1．25 V基準(zhǔn)信號用于放大器累加電路，+2．5 V基準(zhǔn)信號提供給SFM32F103的Vref+,。另外,，模擬電路、控制器模擬供電和數(shù)字電路供電采用獨(dú)立電源,，由專用DC／DC提供±15 V電源,，為電流傳感器LA-28P及運(yùn)算放大器LM324供電，STM32F103的模擬部分VDDA和數(shù)字部分VDD使用獨(dú)立的+3．3 V供電,。三種獨(dú)立電源于一點(diǎn)共地,，盡可能地減少電源間的互擾。這樣做的好處是,，避免了很多的I／O端口翻轉(zhuǎn)操作在直流電源上產(chǎn)生的大量的噪聲干擾,。
3．3 其他抗干擾措施
    該設(shè)計(jì)還采取了其他的一些抗干擾措施：STM32F103控制器的VDDA和Vref+引腳連接2個(gè)外部的去耦電容器(10 nF瓷介電容+1 μF的鉭電容)；模擬電路中的所有電阻采用1％精度的金屬膜電阻,；在PCB的布置中,，模擬電路部分遠(yuǎn)離數(shù)字部分,，避免了在模擬電路底下通過數(shù)字信號線。

結(jié)語
    該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了充放電電流信號的累加升壓,、跟隨反向,，利用STM32F103控制器片內(nèi)12位A／D實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測。最終電壓檢測實(shí)際精度達(dá)到O．005 V,，電流實(shí)際精度達(dá)到O．005 A,，效果穩(wěn)定、可靠,，滿足了設(shè)計(jì)要求,。需進(jìn)一步改進(jìn)之處在于處理系統(tǒng)的溫漂問題，即溫度對電路的影響,。