基于STM32的自適應(yīng)智能精密電源的設(shè)計(jì)

郭 鵬，曲 波

（蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021）

智能電源可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制輸出不同的精準(zhǔn)電壓，并且具有完整的保護(hù)電路。其典型的應(yīng)用領(lǐng)域是在自動(dòng)在線測(cè)試（ICT）儀器中，根據(jù)不同的需求變換參數(shù)，只需將要發(fā)送的命令寫(xiě)入流程中即可，免除人工操作，提高生產(chǎn)效率，降低成本并且操作也相對(duì)靈活。目前這種小型程控電源多被國(guó)外儀器廠壟斷，價(jià)格也比較昂貴。本文提出了由STM32F103RBT6控制輸出電壓，然后根據(jù)實(shí)際情況配以相應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的一種方案。STM32作為一款當(dāng)前比較流行的微處理器芯片，外設(shè)比較豐富，市場(chǎng)價(jià)格比較低，但是工作頻率也相對(duì)較低，因此，本系統(tǒng)采用兩種不同的算法依次對(duì)輸出進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，大大減少了處理器的運(yùn)算量，從而提高了自適應(yīng)調(diào)整的速度。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)可由PC機(jī)或者PLC遠(yuǎn)程控制，它們通過(guò)USB接口通信，USB接口由串口通過(guò)FT232RL轉(zhuǎn)換得來(lái)，其作用除了與上位機(jī)通信，還可以作為程序調(diào)試接口。本系統(tǒng)有兩路獨(dú)立輸出，充分利用了STM32的外設(shè)，圖1所示為其中一個(gè)通道的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中唯一的外部輸入電壓為12 V，設(shè)計(jì)中用到的所有其他電壓值均由其轉(zhuǎn)換得來(lái)。

2 電壓的輸出及反饋系統(tǒng)

總體的思路為片內(nèi)D/A輸出一個(gè)電壓，通過(guò)放大電路后得到所需電壓值，并且由A/D對(duì)輸出參數(shù)采樣，在此使用 A/D的注入型通道（Injected channel），因?yàn)檫@個(gè)采樣過(guò)程不是連續(xù)循環(huán)掃描模式，而是配合定時(shí)器，以一定的頻率采樣，在定時(shí)器中斷函數(shù)中運(yùn)行算法并自適應(yīng)調(diào)整的工作過(guò)程。系統(tǒng)中，STM32的供電由NCP1117提供，放大及反饋電路如圖2所示。

圖2 放大及反饋電路

A/D以及D/A的參考電壓為 2．5 V，由穩(wěn)壓芯片ISL60002產(chǎn)生，其輸出精度可達(dá)1 mV，符合精度要求。由于STM32芯片自身的原因，其D/A的最小輸出電壓為200 mV，所以直接放大無(wú)法做到0~10 V的要求，因此在放大器反相端增加一個(gè)補(bǔ)償電路，其補(bǔ)償值選用0．5 V，根據(jù)虛短和虛斷原理可得等式：

將 R1，R2，R3，R4值 代 入 上 式 ， 得 Vout＿1＝9Vdac－4．5 V，即當(dāng) Vdac輸出為 0．5 V時(shí)，電源輸出電壓為 0 V，從而避開(kāi)了D/A最小輸出200 mV的限制。輸出電壓Vout1由兩個(gè)精密電阻分壓后作為反饋送回到STM32的A/D通道，作為電壓自適應(yīng)調(diào)整的硬件環(huán)境。由于所用放大器OPA544為非軌至軌型放大器，要得到0 V的電壓，必須在其V－端放置一個(gè)負(fù)電壓，此設(shè)計(jì)中選用－5 V，由集成開(kāi)關(guān)電源芯片LM2611產(chǎn)生，產(chǎn)生電路如圖3所示。

圖3 －5 V電壓產(chǎn)生電路

調(diào)整過(guò)程中，首先考慮放大器本身及外圍電阻的誤差所導(dǎo)致的輸出誤差；其次，由于電源穩(wěn)定輸出的過(guò)程中，負(fù)載的變化也會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的微小變化，這時(shí)也要快速對(duì)輸出進(jìn)行微調(diào)以確保在負(fù)載變化的情況下也可以穩(wěn)定輸出，整個(gè)調(diào)整的過(guò)程可以稱(chēng)作自適應(yīng)的過(guò)程。由于所用處理器STM32F103VET6最高的處理速度只有72 MHz，因此在選擇調(diào)整算法的時(shí)候必須考慮到運(yùn)算量問(wèn)題，如果連續(xù)采用運(yùn)算量較大的算法調(diào)整，必定會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。本系統(tǒng)采用兩種不同的算法，既會(huì)較快地對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)整，又不會(huì)產(chǎn)生太大的運(yùn)算量。

首先采用的方法是最小二乘法數(shù)據(jù)擬合算法調(diào)整。

最小二乘法數(shù)據(jù)擬合是曲線擬合的一種，使用比較簡(jiǎn)單，比較適用于在非DSP處理芯片中使用，其主體思想為：根據(jù) N個(gè)樣點(diǎn)擬合一條小于（N－1）次的曲線，并使這條曲線與所有樣點(diǎn)的距離平方和最小[4]。

在此設(shè)計(jì)中，使用這個(gè)算法做輸出前調(diào)整。由于開(kāi)始時(shí)實(shí)際輸出和期望輸出的差值會(huì)比較大，如果直接較大幅度及較高頻率的跳變有可能會(huì)造成尖峰和震蕩，這樣從時(shí)間和精度上都會(huì)為自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程造成一定的不良影響。所以采用數(shù)據(jù)曲線擬合的方法，調(diào)整之前，在目標(biāo)電壓周?chē)杉舾蓚€(gè)點(diǎn)，通過(guò)這若干個(gè)點(diǎn)擬合一條曲線，然后沿曲線向目標(biāo)電壓移動(dòng)，次數(shù)根據(jù)調(diào)整幅度確定，當(dāng)誤差小于10 mV的時(shí)候停止移動(dòng)，并打開(kāi)保護(hù)開(kāi)關(guān)開(kāi)始向用電器輸出電壓，同時(shí)啟用另一種算法來(lái)持續(xù)自適應(yīng)調(diào)整，具體分析步驟如下。

根據(jù)已知點(diǎn)數(shù)n確定一個(gè)多項(xiàng)式模型：

則矛盾方程組可記為Aα＝β，其對(duì)應(yīng)的正規(guī)方程組為ATAα＝ATβ，又因?yàn)?β為非零向量，所以方程組的解唯一，即為最優(yōu)近似解。此解使得曲線和所有點(diǎn)距離的平方和函數(shù)可以取得極小值，從而求得的最小二乘法擬合多項(xiàng)式為：

倘若將此調(diào)整過(guò)程看作一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入即為上位機(jī)要求的電源輸出值，而實(shí)際的輸出值則為系統(tǒng)的輸出。本設(shè)計(jì)中，采取5個(gè)樣點(diǎn)來(lái)擬合一條二次曲線，樣點(diǎn)的選取根據(jù)上位機(jī)指令以及實(shí)際的硬件參數(shù)而定，選在要求輸出值的附近。調(diào)整系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 調(diào)整系統(tǒng)工作流程

（1）調(diào)整前，若調(diào)整系統(tǒng)輸入為V0時(shí)的實(shí)際輸出值為 V0＋△V（通過(guò) A/D 采樣得到），誤差為 △V，則輸入為V0-△V時(shí)，輸出更接近于理想值。

（2）為使理想輸入值靠近于曲線段中間位置，選取的 5 個(gè)樣點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為 V0-3△V，V0-2△V，V0-△V，V0，V0+△V，它們的縱坐標(biāo)分別為與之對(duì)應(yīng)的 A/D采樣值。

（3）根據(jù)上述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到曲線 y＝f（x），再根據(jù)要求輸出的電壓 V0，求出對(duì)應(yīng)的 x0＝f-1（V0），x0即為需要D/A輸出參數(shù)。

為了驗(yàn)證這種方法的可行性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：

預(yù)設(shè)要求電源輸出為6 V，即調(diào)整系統(tǒng)的輸入為6 V，實(shí)驗(yàn)得出，通過(guò)A/D采樣得調(diào)整系統(tǒng)輸出為6．357 V，誤差為0．357 V，根據(jù)上述方法取5個(gè)樣點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得這5個(gè)樣點(diǎn)為表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)采樣樣點(diǎn)

通過(guò)上述最小二乘法數(shù)據(jù)擬合原理，STM32處理器計(jì)算出來(lái)的擬合曲線為：

按照要求，當(dāng) y＝6 時(shí)，方程的有效解為 x＝5．620，此時(shí)變換D/A輸出參數(shù)，將5．620 V作為調(diào)整系統(tǒng)的輸入，通過(guò) A/D采樣測(cè)得實(shí)際的輸出為 5．996 V，此時(shí)的誤差僅為4 mV，故證明，這個(gè)調(diào)整算法是可行的，并且在速度和準(zhǔn)確度方面都能夠得到較好的效果。

上述實(shí)驗(yàn)及使用中的多次實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)最小二乘法數(shù)據(jù)擬合方法調(diào)整過(guò)的輸出電壓是接近要求值的，這時(shí)打開(kāi)保護(hù)開(kāi)關(guān)，開(kāi)始向用電器供電，然而由于電源從空載到帶載轉(zhuǎn)變時(shí)，其輸出會(huì)產(chǎn)生細(xì)微變動(dòng)，所以在打開(kāi)保護(hù)開(kāi)關(guān)之前，啟用另外一種算法（二分法），對(duì)輸出進(jìn)行持續(xù)的自適應(yīng)調(diào)整，即不斷地根據(jù)采樣值細(xì)微改變輸出，并貫穿于整個(gè)工作過(guò)程。

這兩種算法中，最小二乘法相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)算量較大，但是調(diào)整次數(shù)較少，用在輸出之前的幅度較大的自適應(yīng)調(diào)整，有效避免了電壓振蕩；相反，二分法的運(yùn)算量相對(duì)較少，適用于在整個(gè)工作過(guò)程中的自適應(yīng)調(diào)整，調(diào)整頻率為100 Hz，即每10 ms進(jìn)行一次，較高的調(diào)整頻率有效抑制了紋波。

3 過(guò)流保護(hù)

過(guò)流保護(hù)是電源設(shè)計(jì)中非常重要的部分，當(dāng)輸出過(guò)載或者短路的時(shí)候，承擔(dān)著保護(hù)電源本身及用電器的作用。本設(shè)計(jì)中的過(guò)流保護(hù)部分采用了軟件保護(hù)和硬件保護(hù)雙保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)。保護(hù)電路如圖5所示。

圖5 過(guò)流保護(hù)電路

通斷開(kāi)關(guān)采用FDN360P，為單通道 P型 MOSFET，其反應(yīng)時(shí)間短及多次導(dǎo)通截止不易損壞的特點(diǎn)，使其成為此處的最佳選擇。軟件保護(hù)和硬件保護(hù)是平行、獨(dú)立工作的，任何一個(gè)起作用都會(huì)使FDN360P截止，停止供電。

（1）protectpoint＿1 為軟件保護(hù)端，MAX4372 為電 流放大器[2]，在此為 10倍放大R10兩端的電壓，通過(guò)不斷掃描A/D采樣值的方法軟件監(jiān)控電流大小，采用A/D的規(guī)則通道 （Regularchannel） 以及連續(xù)轉(zhuǎn)換模式（Continuous conversion mode），這樣在電流過(guò)大的情況下，處理器端可以及時(shí)檢測(cè)到。同時(shí)啟用A/D模擬看門(mén)狗（AWD）功能，如果采樣值大于預(yù)設(shè)閾值，則啟動(dòng)軟件保護(hù)，即PD12置高，F(xiàn)DN360P截止，停止輸出。

（2）protectpoint＿2 為 硬件 保護(hù) 端 ，LMV358 用 作 電 壓比較器，TLC555構(gòu)成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[3]，當(dāng) MAX4372的輸出端電壓大于2 V時(shí)，即電流超過(guò)1 A，則比較器輸出低電平，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)，TLC555輸出為高電平，F(xiàn)DN360P截止，停止供電。同時(shí)，電容C7不斷充電，當(dāng)V0升高到2VCC/3時(shí)，輸出為低電平，F(xiàn)DN360P導(dǎo)通，電源正常供電，此時(shí)如果電流依然過(guò)大，則再次觸發(fā)保護(hù)，這樣就形成了一個(gè)不斷嘗試導(dǎo)通的過(guò)程，直到負(fù)載正常為止。此種保護(hù)為硬件保護(hù)，反應(yīng)時(shí)間快，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及FDN360P動(dòng)作時(shí)間之和大約40 ns，可以有效保護(hù)電源本身及用電器的安全。

本系統(tǒng)包含了電壓的預(yù)設(shè)、采樣、校準(zhǔn)、自適應(yīng)調(diào)整、輸出以及保護(hù)的軟件和硬件的設(shè)計(jì)，避開(kāi)了硬件自身及外界環(huán)境的不良影響。成功將數(shù)據(jù)擬合及二分法移植到本系統(tǒng)中，兩種算法的巧妙配合大大減少了乘加運(yùn)算次數(shù)，使其在主頻不是很高的小型嵌入式產(chǎn)品上得到實(shí)現(xiàn)，同時(shí)調(diào)整速度也比使用單一算法調(diào)整快。電路設(shè)計(jì)中，數(shù)字地和模擬地是隔離開(kāi)的，很大程度上降低了高頻數(shù)字信號(hào)對(duì)電源輸出精度的影響。保護(hù)電路方面，軟硬件雙層保護(hù)大大提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制端的接口采用通用的USB接口，使其兼容性更強(qiáng)、應(yīng)用范圍更廣。

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