摘  要: 介紹了一種可以產(chǎn)生兩路獨(dú)立0~10 V電壓的程控電源及其保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方法,采用ST公司32 bit處理器STM32F103VET6作為控制芯片,用來接收上位機(jī)的電壓輸出命令,通過不斷對輸出采樣得到多組數(shù)據(jù),先后利用最小二乘法曲線擬合及二分法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。本方案還采用軟件保護(hù)和硬件保護(hù)雙保險的設(shè)計,確保電源及用電器的安全。此外,還具有電流實(shí)時監(jiān)控,設(shè)定電流閾值等功能。在負(fù)載測試、短路測試以及變載輸出測試中均可穩(wěn)定工作。
關(guān)鍵詞: 自適應(yīng);最小二乘法;二分法;過流保護(hù)

　智能電源可以通過計算機(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)域是在自動在線測試(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靈活。目前這種小型程控電源多被國外儀器廠壟斷,價格也比較昂貴。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,市場價格比較低,但是工作頻率也相對較低,因此,本系統(tǒng)采用兩種不同的算法依次對輸出進(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)計可由PC機(jī)或者PLC遠(yuǎn)程控制,它們通過USB接口通信,USB接口由串口通過FT232RL轉(zhuǎn)換得來,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所示為其中一個通道的硬件結(jié)構(gòu)圖。

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

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

　調(diào)整過程中,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)定輸出的過程中,負(fù)載的變化也會導(dǎo)致輸出電壓的微小變化,這時也要快速對輸出進(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,整個調(diào)整的過程可以稱作自適應(yīng)的過程。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)整算法的時候必須考慮到運(yùn)算量問題,如果連續(xù)采用運(yùn)算量較大的算法調(diào)整,必定會影響整個系統(tǒng)的工作效率。本系統(tǒng)采用兩種不同的算法,既會較快地對輸出進(jìn)行調(diào)整,又不會產(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)計中,使用這個算法做輸出前調(diào)整。由于開始時實(shí)際輸出和期望輸出的差值會比較大,如果直接較大幅度及較高頻率的跳變有可能會造成尖峰和震蕩,這樣從時間和精度上都會為自適應(yīng)調(diào)整過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)電壓周圍采集若干個點(diǎn),通過這若干個點(diǎn)擬合一條曲線,然后沿曲線向目標(biāo)電壓移動,次數(shù)根據(jù)調(diào)整幅度確定,當(dāng)誤差小于10 mV的時候停止移動,并打開保護(hù)開關(guān)開始向用電器輸出電壓,同時啟用另一種算法來持續(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確定一個多項式模型:

　按照要求,當(dāng)y=6時,方程的有效解為x=5.620,此時變換D/A輸出參數(shù),將5.620 V作為調(diào)整系統(tǒng)的輸入,通過A/D采樣測得實(shí)際的輸出為5.996 V,此時的誤差僅為4 mV,故證明,這個調(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)過最小二乘法數(shù)據(jù)擬合方法調(diào)整過的輸出電壓是接近要求值的,這時打開保護(hù)開關(guān),開始向用電器供電,然而由于電源從空載到帶載轉(zhuǎn)變時,其輸出會產(chǎn)生細(xì)微變動,所以在打開保護(hù)開關(guān)之前,啟用另外一種算法(二分法),對輸出進(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,并貫穿于整個工作過程。
　這兩種算法中,最小二乘法相對復(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)算量相對較少,適用于在整個工作過程中的自適應(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 過流保護(hù)
　過流保護(hù)是電源設(shè)計中非常重要的部分,當(dāng)輸出過載或者短路的時候,承擔(dān)著保護(hù)電源本身及用電器的作用。本設(shè)計中的過流保護(hù)部分采用了軟件保護(hù)和硬件保護(hù)雙保險的設(shè)計。保護(hù)電路如圖5所示。

　通斷開關(guān)采用FDN360P,為單通道P型MOSFET,其反應(yīng)時間短及多次導(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,任何一個起作用都會使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(Regular channel)以及連續(xù)轉(zhuǎn)換模式(Continuous conversion mode),這樣在電流過大的情況下,處理器端可以及時檢測到。同時啟用A/D模擬看門狗(AWD)功能,如果采樣值大于預(yù)設(shè)閾值,則啟動軟件保護(hù),即PD12置高,FDN360P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)成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器[3],當(dāng)MAX4372的輸出端電壓大于2 V時,即電流超過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,FDN360P截止,停止供電。同時,電容C7不斷充電,當(dāng)V0升高到2VCC/3時,輸出為低電平,FDN360P導(dǎo)通,電源正常供電,此時如果電流依然過大,則再次觸發(fā)保護(hù),這樣就形成了一個不斷嘗試導(dǎo)通的過程,直到負(fù)載正常為止。此種保護(hù)為硬件保護(hù),反應(yīng)時間快,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及FDN360P動作時間之和大約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,避開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),同時調(diào)整速度也比使用單一算法調(diào)整快。電路設(shè)計中,數(shù)字地和模擬地是隔離開的,很大程度上降低了高頻數(shù)字信號對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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