基于STM32的程控直流電子負載

摘 要 設計了基于Cortex-M3內核的STM32F103芯片為控制核心的硬件系統，采用硬件PI調節器構成串聯負反饋閉環控制結構，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據進行處理，減小隨機誤差對電子負載性能的影響，最終實現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的設定，實現了較好的人機交互。詳細研究了PI調節器的設計和中位值平均濾波算法對負載參數精度提高的影響，設計了一種低成本，較高精度，人機交互較好的程控電子負載。

【關鍵詞】電子負載 PI調節器 濾波算法 STM32

1 引言

在各種電子產品設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。當前，國內外對上述產品的試驗一般都采用傳統的靜態負載（電阻箱、滑線變阻器等）能耗放電的辦法進行。

縱觀直流電源的發展史，從復雜、笨重的線性電源到高效便捷的開關電源，從簡單的模擬電源到復雜的數控電源，電源逐漸覆蓋了我們日常生活的各個領域，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。而傳統的電源檢測技術在測試電源性能時，往往需要接入不同性質、阻值的負載，傳統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。為準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和微機控制技術有機地結合起來，實現電源的可靠檢測。在傳統直流電源的基礎上，利用微處理器、A/D、D/A轉換器，結合軟件編程，對電子負載進行程序控制。同時，應用控制理論設計一套高效的控制算法，來提高電子負載的控制精度，數據直觀的顯示在LCD觸摸屏上，實現較好的人機交互，并能實現恒流、恒阻等模式的切換。

本程控直流電子負載采用硬件、軟件雙調節系統與傳統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點，電子負載被越來越多地應用到各種實驗場所，有著廣闊的市場和廣泛的應用前景。

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之上進行改進，逐漸發展成形。目前應用比較廣泛的有線性調節和開關式調節兩種電流調節方式，分別對這兩種調節方式的特點進行總結，得到表1。

吸取現階段程控直流電子負載設計的優點。如圖1所示，本程控直流電子負載方案構成為，STM32F103單片機通過內部集成的D/A，A/D模塊來調節給定電壓值，再經過V/I轉換電路改變輸出電流值，外圍可以適當的增加運放電路來比例調節基準電壓的大小。增加了保護電路，采用運算放大器構成的窗口比較器，采樣電壓位于窗口值以內時，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顯示屏替換了傳統的顯示器，可以顯示電壓、電流、英文標注并且負載參數顯示精度可以達到三位數。

3 程控電子負載的硬件設計

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

3.1 單片機系統設計

單片機系統主要是由單片機最小系統及LCD顯示器、外部按鍵、聲光報警電路這些外圍電路一起構成的數字電路控制模塊。

顯示器件采用LCD液晶屏，顯示模塊的內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存儲單元中的數據轉化成液晶面板的控制信號，使像素點呈現特定的顏色，各個像素點組合起來則成為一幅完整的圖像來實現液晶顯示。本設計用STM32F103的FSMC接口實現控制LCD的8080時序，較好的實現人機交互。采用矩陣鍵盤作為外部按鍵，蜂鳴器與LED實現聲光報警，完成整個單片機系統的設計。

3.2 電壓電流轉換電路的設計

V/I轉換電路是整個程控電子負載的核心電路，V/I轉換電路是一種將輸入電壓轉換為電流的電路，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調節器，Q1構成場效應管電路。電子負載內部電路上R1上的電壓值，送入U6運放構成的前置放大器，進行電壓放大后送入由U5運放，該運放構成PI調節器對場效應管的Vgs進行調節，控制場效應管的導通電阻進而達到恒流的目的。

下面通過計算來說明V/I轉換電路的工作原理：

設流過反饋電阻的電流為If，則反饋電壓為

由上式可知，當電阻R2、R4、R6、R7、Rf的阻值固定，輸出的電流值只跟輸入電壓有關，與外加電源電壓的大小無關，外部電壓在合適的范圍內改變時，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的關系為

根據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當存在的實時電流值，再根據恒流原理D/A模塊對電流值進行精確控制則可以實現恒阻模式。恒阻模式下電壓U與電路中電流I的關系為

因為R1=0.2Ω，電路中的電流100mA

3.3 PI調節電路的設計

為了提高電子負載的穩定性，本設計在傳統的V/I轉換電路上進行了改進，增加了由運算放大器構成的硬件PI調節器，達到快速穩定電流輸出的目的。PI調節器如圖3所示。

對于電子負載的設計，精確度是一個不容忽視問題?？刂芃OS管導通量的變換是一個不停變化調節的過程，傳統的比較器僅僅只是比較設置值與實測值，比較后的輸出作用于MOS管的門極。這樣的反饋系統只能使MOS管在通和短兩種狀態下切換，而PI調節器可以更加精確的調節MOS管的導通角，使其導通角更夠在更大的范圍內進行調整。如圖3所示的PI調節器，其輸出電壓Vout由比例和積分兩個部分組成，零狀態的階躍響應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點，比例控制部分能夠迅速響應外部輸入，積分控制部分能夠消除穩態偏差，實現對MOS管導通角的有效控制，只要負載電路中的實測值與設定值之間有偏差，輸出就會反復調節，消除穩態誤差，實現無靜差的調節。

PI調節器是一種線性控制器，理論輸出值r（t）與實際輸出值c（t）構成控制偏差

將偏差的比例P和積分I通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，規律為

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，TI為積分時間常數。通常K的增大會使閉環系統的調節量增大，系統響應速度加快，但是系統會變得不穩定。積分環節主要作用于消除靜差，積分作用的強弱取決于積分常數TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強。積分作用越弱，系統響應速度越慢。

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

所以，本設計的PI調節器K=1，TI=0.01s。

4 程控電子負載的軟件設計

軟件部分主要分為整體控制設計和中位值濾波算法設計兩個部分。

4.1 整體控制設計

程控電子負載的主程序設計主要采模塊化設計的方式。單片機工作流程圖如圖5所示。當打開單片機電源，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、恒阻模式后輸入設定的電流、電阻預置值，則完成負載設置，單機啟動運算子程序開始運算所需輸出電壓值，再經過D/A轉化產生基準電壓，通過外部PI調節器和內部閉環調節來控制MOSFET的柵極電壓，完成負載調節，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了故障，導致電子負載內部電流過大，達到可以損壞該設計的閾值時，單片機會迅速產生中斷，向外界發出報警信號的同時結束整個系統的工作，保護內部電路不被燒毀。

4.2 A/D采樣濾波算法的設計

對于A/D采樣來說，一次的采樣數據不能合理的代表當前時刻的電壓值，因為有外部和內部各種干擾的存在，會對采樣值造成一定的誤差，為了克服這種誤差，可以采用數字濾波的方法對隨機予以消除。本設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“算數平均濾波算法”適用于信號求均值的優點，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，連續采樣n個數據，將這一組數據進行排序，去除最大值和最小值，計算n-2個數據的算數平均值，作為最后的結果。經過測試發現n取10的時候效果較好 。

5 樣機測試結果

文章按照本設計，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%

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

表2為恒流模式下的測試數據節選。電流精度在5%內時，設備兩端電壓變化范圍較廣。輸出電流分辨率可以達到10mA，可以達到設計要求。相較于現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果，在設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電阻值差距不大。隨著目標電阻增加，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，則會導致A/D檢測電壓超出范圍或測試不準確也會使整體誤差增大。在該設計中，恒阻模式下，電阻值設置到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實現恒阻，但電壓范圍較小，誤差較大。

6 結束語

本文在理論分析的基礎上，設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、軟件雙調節系統的設計。樣機測試結果證明，設計的電子負載具有較高的穩定性，性能優良，滿足設計要求。

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作者簡介

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

作者單位

武漢理工大學信息工程學院 湖北省武漢市 430070