基于STM32程控電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◎楊秀芝 汪晴晴

（山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250101）

電源性能優(yōu)良直接關(guān)系著產(chǎn)品的可靠性，因此，電源穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)精度問(wèn)題顯得更加重要。目前，常用到的電源基本是通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器，達(dá)到控制電源電壓改變的目的。此類(lèi)電源存在諸多不便，如對(duì)于需要的電壓，很難做到精確調(diào)節(jié)，而該類(lèi)電源輸出電壓不穩(wěn)定，同時(shí)也存在體積較大，電路較為復(fù)雜以及價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室電壓源的精度受到價(jià)格的影響，所以在給一些精密儀器供電的時(shí)候往往達(dá)不到自己想要的效果。并且也由于體積龐大不利于攜帶的問(wèn)題，往往實(shí)驗(yàn)室的高精度電壓還需要自己重新設(shè)計(jì)電路或者使用輔助電路獲得需要的電壓。

筆者旨在設(shè)計(jì)一個(gè)新型的程控電源，并以STM32為主控芯片構(gòu)建程控電源控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電壓的精確控制。

1 程控電源的基本組成與原理

筆者以STM32為主控芯片，設(shè)計(jì)一款新型的程控電源。該程控電源主要包括EMI濾波電路、整流濾波電路、變換器、控制電路等。信號(hào)采集部分通過(guò)電壓、電流采集電路，對(duì)輸出的電壓電流進(jìn)行采集，并且將模擬信號(hào)通過(guò)AD7705轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[1]，通過(guò)STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并用PID調(diào)節(jié)輸出，形成閉環(huán)控制，達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的。程控電源系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

圖1 程控電源總體設(shè)計(jì)

程控電源的工作原理：將220V交流電接到電路的輸入端，通過(guò)EMI濾波電路濾除來(lái)自電網(wǎng)噪聲（防止電網(wǎng)噪聲對(duì)電源的干擾）和自身噪聲的干擾（電源本身對(duì)外界的干擾）。其次，將得到的交流電經(jīng)過(guò)全橋變換和濾波后得到脈動(dòng)直流電。然后，再將得到的脈動(dòng)直流電經(jīng)過(guò)DC-DC電路后得到直流電。最后，再通過(guò)STM32控制調(diào)壓電路輸出想要的電壓。在輸入電壓有波動(dòng)時(shí)，為了確保電壓輸出穩(wěn)定，需要進(jìn)行電壓反饋調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)將反饋信號(hào)送入控制芯片STM32，經(jīng)過(guò)取樣、比較等環(huán)節(jié)，控制芯片調(diào)節(jié)DA輸出電壓，從而控制調(diào)壓電路的輸出，達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

2 程控電源包含的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

程控電源硬件電路主要由保護(hù)電路、轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)采集電路等組成。其中保護(hù)電路包括EMI濾波電路、整流濾波電路等；轉(zhuǎn)換電路包含變換器、主功率電路、控制電路等；信號(hào)采集電路有電壓采集電路、電流采集電路等。

2.1.1 EMI濾波電路

EMI濾波電路[2]是由電容和電感組成的低通濾波器，它能讓低頻信號(hào)順利地通過(guò)，而對(duì)高頻信號(hào)具有抑制作用[3]。電源中含有高頻開(kāi)關(guān)和高速PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其通過(guò)電路中部分電容和電感線(xiàn)路的發(fā)射和傳導(dǎo)，會(huì)將高次諧波信號(hào)帶入工頻電網(wǎng)，使共用電網(wǎng)產(chǎn)生附加電流，導(dǎo)致回路損耗增加，更有甚者，會(huì)影響電纜使用壽命、降低電量質(zhì)量。所以采用EMI濾波電路，防止外界噪聲和電源的相互干擾[4]，電路原理如圖2所示。

圖2 EMI濾波電路

EMI濾波電容由共模扼流圈L和濾波電容C1—C4組成：L抑制共模干擾（兩條電源線(xiàn)對(duì)大地的噪聲）；濾波電容C1、C2采用薄膜電容器，用來(lái)濾除串模干擾（兩條電源線(xiàn)之間的噪聲）；C3、C4采用陶瓷電容，并將C3、C4串聯(lián)跨接在輸出端，其兩者的中點(diǎn)接地，用來(lái)抑制共模干擾。

2.1.2 整流濾波電路

筆者采用全橋整流電路[5]，減少整流后的脈動(dòng)。由于經(jīng)過(guò)橋式整流電路得到的直流電紋波比較大，所以加上濾波電路，減少直流電壓的紋波。濾波電路的作用是利用電容元件兩端電壓不能躍變或電感元件兩端電流不能躍變的特性，將整流后的電壓電流濾掉交流成分，保留直流成分，得到平滑的輸出電壓。對(duì)于輸入整流濾波電路，它不僅能平滑整流電壓，而且還能保持電壓；對(duì)于輸出整流濾波，它不僅能將高頻脈沖濾波成平穩(wěn)直流電，還能保持電流連續(xù)。濾波電路分為電容濾波、電感濾波、復(fù)合濾波電路，為了得到比較理想的直流電壓，筆者選用復(fù)合濾波電路。交流電經(jīng)過(guò)整流濾波之后變成單向脈動(dòng)直流電。

2.1.3 主功率電路硬件設(shè)計(jì)

電源主功率電路采用XL4015芯片[6]，XL4015是一款降壓芯片，能夠輸出5A的驅(qū)動(dòng)電流，與LM2596芯片相比，XL4015具有更強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力，屬于大功率型電源變換器。經(jīng)查閱XL4015的數(shù)據(jù)手冊(cè)知該芯片的工作電壓為8—36V，輸出電壓可調(diào)，芯片具有高電壓、高頻率、大電流、高可靠性等特點(diǎn)，當(dāng)輸入電壓20—30V，輸出功率50W時(shí)效率在90%以上。在XL4015芯片外增加一個(gè)運(yùn)放電路，通過(guò)運(yùn)放的輸出來(lái)控制XL4015的輸出，并通過(guò)XL4015的FB引腳反饋控制輸出電壓，改變了原來(lái)使用電位器控制電壓輸出的方式，實(shí)現(xiàn)STM32控制電壓輸出，調(diào)壓部分主電路如圖3所示。

圖3 XL4015降壓主電路

因?yàn)橹鞴β孰娐分械腦L4015芯片工作電壓為8-36V，而由STM32的GPIO管腳提供的電壓不能讓XL4015正常工作，所以筆者首先通過(guò)一個(gè)升壓電路，升壓電路見(jiàn)圖5所示。其次，通過(guò)C2（電解電容）高頻濾波后接入主電路輸入端，使主電路輸入端接入電壓為30V，主電路輸出后通過(guò)一個(gè)LC電路：L（電感）為了保證波紋電流低于最大值限定值；C1（電解電容）為了減小輸出波紋電壓。然后，在輸出Vout+端接一個(gè)發(fā)光二極管，用于指示是否正常輸出。最后將輸出通過(guò)一個(gè)運(yùn)放反饋到FB引腳控制可調(diào)輸出。反饋電路見(jiàn)圖4所示。

圖4 反饋電路

輸出端Vout+通過(guò)30K和10K電阻分壓后與運(yùn)放3口連接，輸出通過(guò)續(xù)流二極管連接到FB端口，在運(yùn)放2口通過(guò)DA輸入0-3.3V電壓來(lái)控制主電路的輸出電壓。其中DA信號(hào)由STM32產(chǎn)生，即達(dá)到STM32調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

系統(tǒng)中XL4015降壓主電路的輸入電壓為32.5V，輸出電壓的連續(xù)可調(diào)范圍為0-22V。其輸入的32.5V電壓是通過(guò)芯片XL6009得到的，其升壓電路圖如圖5所示。

圖5 XL6009升壓電路

XL6009穩(wěn)壓器是一種寬輸入范圍、電流模式、DC/DC變換器，能夠產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓[7-8]。經(jīng)查閱官方版XL6009的數(shù)據(jù)手冊(cè)知該芯片工作在5-32V的直流電。XL6009的端口3輸出方波信號(hào)，作為開(kāi)關(guān)：當(dāng)端口3為高電平時(shí)D3截止，電壓存儲(chǔ)在電感L1內(nèi)，由于電容與R16和R17組成放電回路放電，使輸出電壓下降；當(dāng)端口3為低電平時(shí)D3導(dǎo)通，電感L1向電容兩端充電，使輸出電壓升高。XL6009的輸出電壓由R16與R17的比值決定[9]，即輸出電壓和電阻有關(guān)，其關(guān)系如公式（2-1）所示。

取R16=25K，R17=1K根據(jù)公式2-1得到Vout=1.25×（1+25（1）=32.5V。端口2通過(guò)GPIOB.5連接STM32，通過(guò)STM32的I/O口輸出高低電平來(lái)控制XL6009的開(kāi)斷，因?yàn)槎丝?是XL6009的使能端，所以當(dāng)STM32的PB5口輸出高電平時(shí)，后面主電路的輸入將會(huì)被切斷，關(guān)閉控制電源，反之打開(kāi)控制電源。

2.1.4 電壓采集電路硬件設(shè)計(jì)

在電壓或者電流的采集中，為了確保測(cè)量的安全性和可靠性，大多采用隔離式采集[10]。本電源系統(tǒng)最高輸出電壓為36V，屬于低電壓測(cè)量范圍，直接采用電阻分壓式測(cè)量，電壓采集電路原理如圖6所示。

通過(guò)分壓電路來(lái)測(cè)量輸出電壓，電路中接入0K電阻是為了以后改變調(diào)節(jié)測(cè)量范圍使用，可以根據(jù)需求取下0K電阻，斷開(kāi)這部分電路。

圖6 電壓采集電路

2.1.5 電流采集電路硬件設(shè)計(jì)

筆者采用采樣電阻采集電流。該方法是將采樣電阻串聯(lián)進(jìn)輸出回路，有電流通過(guò)時(shí)會(huì)在采樣電阻兩端形成壓差，通過(guò)AD采集采樣電阻之間的電壓差，然后通過(guò)歐姆定律計(jì)算出電流的值，歐姆定律的公式如(2-2)所示。電流采集電路的硬件實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖7所示。

圖7 采樣電阻電路

采樣電阻選用阻值為1Ω的電阻，當(dāng)電阻R=1Ω時(shí)，I=U，通過(guò)采集采樣電阻兩端的電壓就能得到通過(guò)負(fù)載的電流。

2.1.6 顯示電路實(shí)現(xiàn)

顯示電路是人機(jī)交互的核心，筆者采用IIC總線(xiàn)控制的OLED液晶顯示屏，微處理器通過(guò)I/O口模擬IIC總線(xiàn)的時(shí)序來(lái)驅(qū)動(dòng)OLED顯示屏工作，OLED的SCL端口和SDA端口分別連接微處理器的PB7和PB6。RES復(fù)位端口連接PB4，DC與CS分別連接PB5、PB2。顯示電路圖如圖8所示。

圖8 OLED顯示電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

為了方便用戶(hù)使用，運(yùn)用QT編寫(xiě)上位機(jī)軟件界面，界面具有實(shí)時(shí)顯示及調(diào)節(jié)輸出電壓的功能。上位機(jī)軟件主要通過(guò)通信協(xié)議接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，解析接收到的數(shù)據(jù)并在界面窗口上顯示出來(lái)，再構(gòu)造發(fā)送的協(xié)議，發(fā)送到STM32，STM32解析協(xié)議并做出相應(yīng)的動(dòng)作，STM32的程序在Keil5的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，STM32實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、控制電源輸出、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互等功能。

2.2.1 微控制器程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

時(shí)鐘系統(tǒng)是微控制器的心臟，微控制器能正常工作的前提是配置好時(shí)鐘系統(tǒng)，微控制器通過(guò)寄存器來(lái)配置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，即進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘初始化。當(dāng)時(shí)鐘系統(tǒng)初始化完成后，然后對(duì)硬件進(jìn)行初始化：GPIO承擔(dān)著與外部進(jìn)行通信和控制的功能，將I/O口初始化為所需要的狀態(tài)，例如輸入、輸出、中斷等；然后對(duì)ADC進(jìn)行初始化，因?yàn)殡妷弘娏鞫际峭ㄟ^(guò)模擬信號(hào)進(jìn)行采集的，所以先對(duì)ADC進(jìn)行初始化；此外還包括DAC、OLED顯示屏、UART串口等的上電初始化。當(dāng)初始化完成后，微控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并且通過(guò)OLED顯示當(dāng)前電壓和電流的信息。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集電壓、電流的大小并且查詢(xún)是否有控制信號(hào)，如果有控制信號(hào)就進(jìn)行相應(yīng)控制。本系統(tǒng)的微控制程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

2.2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘及GPIO初始化

微控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要依靠時(shí)鐘系統(tǒng)才能有條不紊地進(jìn)行，但是有時(shí)會(huì)受到外界高頻的干擾造成系統(tǒng)時(shí)鐘紊亂，數(shù)據(jù)采集和通信需要依靠精準(zhǔn)的時(shí)鐘才能進(jìn)行更加可靠的數(shù)據(jù)采集和通信，所以首先要進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化來(lái)確保后續(xù)操作的正確性。STM32F103支持低功耗等多種工作模式，不同模式下，時(shí)鐘頻率不一樣，可通過(guò)PLL以及倍頻器調(diào)節(jié)出需要的時(shí)鐘頻率。筆者通過(guò)PLL以及倍頻器將時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)到STM32F103最高頻率72MHz，且STM32設(shè)置為正常工作模式。STM32F103提供兩種編程方式，第一種是直接通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)來(lái)設(shè)置寄存器，第二種是直接設(shè)置寄存器。因?yàn)檎{(diào)用庫(kù)函數(shù)簡(jiǎn)單直觀容易操作，所以筆者采用第一種編程方式，即通過(guò)設(shè)置STM32F103內(nèi)部的寄存器進(jìn)行I/O口初始化。

圖9 程序設(shè)計(jì)

2.2.3 UART的初始化

UART的初始化，是為了和上位機(jī)進(jìn)行通信。通過(guò)UART發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，將STM32采集到的數(shù)據(jù)上發(fā)至上位機(jī)，然后通過(guò)接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，控制輸出電壓，上位機(jī)和STM32之間通信也需要一定的通信協(xié)議，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議來(lái)做STM32和上位機(jī)之間的傳輸。該通信協(xié)議以“$1”為起始位，后面用“,”隔開(kāi)，第一個(gè)數(shù)據(jù)是電壓，第二個(gè)數(shù)據(jù)是電流，以“*”作為停止位，例如傳送一幀數(shù)據(jù)位“$1,2.3,1.1,*”，表示電壓是2.3V，電流為1.1A。因?yàn)閭魉蛿?shù)據(jù)較少，數(shù)據(jù)更新快，就沒(méi)有設(shè)計(jì)校驗(yàn)位、請(qǐng)求幀、應(yīng)答幀等[11]。

2.2.4 PID調(diào)節(jié)

因?yàn)橥饨拥母鞣N干擾，使輸出產(chǎn)生誤差。所以筆者采用PID控制算法減少輸出誤差，使輸出穩(wěn)定。比例控制器讓信號(hào)幾乎按指數(shù)的形式快速增長(zhǎng)，減小達(dá)到給定值所用的時(shí)間，但是會(huì)有超調(diào)現(xiàn)象出現(xiàn)，只有比例控制器時(shí)會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。為了消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，引入積分控制器，積分的作用是減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制器能預(yù)測(cè)信號(hào)變化趨勢(shì)進(jìn)而及時(shí)采取措施控制，能解決控制信號(hào)的超調(diào)問(wèn)題。數(shù)字PID算法分為位置式PID和增量式PID兩種，因?yàn)樵隽渴絇ID算法是在位置式PID算法的基礎(chǔ)得到的，其工作量相對(duì)較小[12]。所以筆者采用增量式PID控制算法，增量式PID控制算法表達(dá)式如公式2-3：

由上式可知，Kp：比例系數(shù)；K1：積分系數(shù)；KD：微分系數(shù)；ek:調(diào)節(jié)器偏差信號(hào)。增量式Kp是以?xún)蓚€(gè)時(shí)刻的偏差作為控制量的算法，控制量?jī)H與最近三次的偏差有關(guān)，通過(guò)對(duì)Kp、K1和KD賦合適的值就能達(dá)到想要的控制效果。

2.2.5 主控程序的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

當(dāng)完成一系列初始化之后，STM32根據(jù)接收到的控制信號(hào)和硬件電路采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)DCDC電路進(jìn)行控制、進(jìn)而得到想要的輸出結(jié)果。

主控程序主要接收來(lái)自按鍵和上位機(jī)的信號(hào)，根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行程控電源的開(kāi)啟、關(guān)閉以及電源的輸出。其控制方式為：STM32采用模擬輸出對(duì)DC-DC電路進(jìn)行輸出控制。模擬輸出采用STM32片上的DA來(lái)產(chǎn)生模擬信號(hào)。STM32片上模擬輸出轉(zhuǎn)換器為12位DA轉(zhuǎn)換器，初始化后通過(guò)控制DA的輸出來(lái)控制主電路的輸出電壓。然后將采集到的輸出電壓、通過(guò)位置式PID調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，使輸出更加穩(wěn)定。

3 程控電源的實(shí)現(xiàn)與結(jié)果

首先實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和STM32之間的通信協(xié)議，通過(guò)STM32發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)，上位機(jī)顯示當(dāng)前電壓及電流，再通過(guò)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32，調(diào)節(jié)電源的輸出。通過(guò)Qt編寫(xiě)上位機(jī)軟件，該上位機(jī)軟件主要是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和構(gòu)建發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)當(dāng)前電壓、當(dāng)前電流顯示和控制輸出電壓的目的。上位機(jī)軟件界面如圖10所示。

圖10 上位機(jī)軟件界面

其次，按照原理圖搭建好硬件電路，然后，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)程序控制輸出電壓的功能。最后配合上位機(jī)軟件達(dá)到電壓可控輸出的目的。

完成硬件的連接及軟件的搭建后，接著完成軟硬件的聯(lián)合調(diào)試：首先，調(diào)試STM32和上位機(jī)對(duì)協(xié)議的解析及構(gòu)造是否成功，看上位機(jī)能否正確顯示STM32傳上來(lái)的值，能否過(guò)濾掉不正確的信息。然后通過(guò)上位機(jī)給STM32發(fā)送數(shù)據(jù)，看STM32是否能正確接收到信息，并且能正確執(zhí)行相應(yīng)的命令。調(diào)試好之后，通過(guò)上位機(jī)與STM32通信來(lái)控制電源的輸出。上位機(jī)通過(guò)串口給STM32發(fā)送10.1信號(hào)，然后用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓，其測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 上位機(jī)控制輸出

4 結(jié)論

筆者以STM32F103為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種新型的程控電源，該程控電源主要包括EMI濾波電路、整流濾波電路、變換器、控制電路等。并借助QT編寫(xiě)上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及調(diào)節(jié)輸出電壓。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出該程控電源輸入電壓范圍支持8~36V，輸出電壓支持0~22V間的任意調(diào)節(jié)，且精度為0.0008，輸出功率為50W，為數(shù)字電源的控制提供新的思路。

本設(shè)計(jì)是一款便攜式、輸出可調(diào)的程控電源，并且可通過(guò)上位機(jī)顯示電壓、電流及控制輸出電壓，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室以及航空航天等領(lǐng)域。同時(shí)該程控電源還具有低功耗模式，具有以下的特點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)：該程控電源體積小，便于攜帶；有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，能自動(dòng)切斷輸出；采用串口和上位機(jī)進(jìn)行通信，能實(shí)時(shí)修改輸出電壓；采用PID調(diào)節(jié)，使輸出更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定；

（2）局限性：由于研究時(shí)間的局限性，僅檢測(cè)了輸出和通信；在功率以及輸出的穩(wěn)定性方面有待進(jìn)一步提高；在不增加自身功率的情況下，最大輸出功率有待進(jìn)一步提高，自身的消耗有待進(jìn)一步減少。