ARM平台下便携式数控高精度mA电流源设计

邵　帆，牛绿伟

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳　471009)



ARM平台下便携式数控高精度mA电流源设计

邵帆，牛绿伟

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009)

摘要：针对实际检测技术中对高精度恒流电流源的需求，设计基于ARM平台的便携式数控高精度mA恒流源，该设计由STM32微控制器连接控制可编程电流源AD5420芯片，获得高精度0～24 mA电流输出。实际的工程项目结果表明，所设计的便携式恒流源，操作简便，最大误差不超过输出量程范围的0.5%，具有较高的精度。

关键词：mA电流源；ARM；STM32微控制器；可编程电流源DAC；便携式

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，也称作稳流源或电流源。实际检测技术中，恒流源作为电路的激励信号源，随着电子技术的发展使用范围越来越广，在电子测量仪器、激光、传感技术、超导、现代通信等高新技术领域广泛应用[1]。目前，在传感器模拟电路中，一般的恒流源激励信号幅度较小，以mA计算，此时电流偏差要求相对较高，需要作为激励信号的恒流源具有较高的精度和稳定性。同时，为适应测试需求或电路功能的扩展要求，需要提供数字控制功能接口。

针对高精度便携式恒流源的需求，提出了一种基于ARM平台下STM32作为主控制器的设计，该恒流源能够提供高精度的0～24 mA恒流输出，并在此输出范围内程控可调。

1系统设计

目前mA级恒流源的电路设计大多采用功率晶体管电路搭建[2]，或由DAC经过V/I转换电路输出，数控功能则大多选择单片机作为主控制器。为实现高精度mA级输出，还需要增加ADC采样反馈回路，增加了电路复杂度和系统成本。高精度便携式恒流源采用ARM 内核STM32作为主控制器，与单片机相比较，软硬件优势明显，性价比高，正被越来越多运用于高集成度和低功耗的嵌入式系统中[3]。

该系统主要由稳压电源电路、核心微控制器模块、恒流输出电路模块、人机接口模块和通信接口模块组成，系统的总体结构框图如图1。其中人机接口模块主要包含液晶显示模块和按键接口模块。稳压电源模块主要由外接USB接口或者内部可充电锂电池提供一级电源，再转换为系统功能电路所需电源电压。微控制器模块选用STM32F103RBT6作为系统的核心微处理器，主要负责系统工况监测、人机接口控制和恒流电流输出芯片控制等功能。恒流输出电路模块采用可编程电流源DAC芯片AD542，受STM32控制输出0～24 mA范围内指定大小的恒流电流信号。OLED液晶显示模块显示恒流源工作状态参数。按键接口模块用于系统参数设置，通信接口模块则经由RS232通信接口与上位微机进行通信，接收指令和传输数据。

图1　系统总体结构框图

2硬件设计

2.1稳压电源电路

针对便携式恒流源的电源功率需求，兼顾接口使用的方便性，内部稳压电源模块配置有3.7 V输出2 000 mAh容量可充电锂电池，同时提供DC+5V 500 mA电源输入USB接口，根据实际使用情况切换。经过DC/DC转换电路得到稳定的+5 V电源，随后再转换为系统功能电路所需各路电源电压：模拟+5 V/-5 V、+15 V，数字+5 V，+3.3 V，参考电压+3.3 V等。

2.2核心微控制器

本系统使用的主控芯片是基于Cortex-M3内核的STM32F103RBT6，内部128 kB FLASH和20KB SRAM。Cortex-M3内核是为低功耗和价格敏感的应用而专门设计的，具有突出的能效比和处理速度，通过采用Thumb-2高密度指令集，Cortex-M3降低了系统存储要求，同时快速的中断处理能够满足控制领域的高实时性要求，使基于该内核设计的STM32系列微控制器能够以更优越的性价比面向更广泛的应用领域[4]。

2.3恒流输出电路

不同于采用分立晶体管电路或者V/I电路搭建的技术方案，考虑到mA级恒流源设计的简单性和可靠性，系统采用单片可编程电流源集成电路芯片AD5420直接输出0～24 mA 电流驱动信号。AD5420是可编程电流源输出的低成本、精密、完全集成的16位转换器，可满足工业过程控制应用的要求[5]。输出电流范围可编程为0～24 mA的超量程，输出具有开路保护功能，可以驱动1H的电感负载。设计中采用AVDD+15V的电源供电。AD5420同时提供灵活的SPI和MICROWIRE兼容接口，可在三线制模式下工作，可以方便地与STM32的SPI接口对接。可靠性方面，除了前述的开路保护功能外，还具备在已知状态下上电的上电复位功能，以及将输出设定为所选电流范围低端的异步清零(CLEAR)引脚。所需的输出配置可由用户通过写入控制寄存器选择。其连接原理图如图2所示，具有电路调节方便的优点。

图2　可编程电流源电路连接原理图

与分立电路方案相比，可编程电流源芯片内部的精密数字电流环路输出转换器，将DAC内核的电压输出转换为电流，然后镜像至供电轨，从而得到一个相对于地的电流源输出，为产生mA级恒流源信号提供了一种高精度、全集成、低成本的解决方案。当输出范围为0～24 mA时，恒流输出电路的传递函数可以用以下式描述，

(1)

其中iout为输出电流，N为片内DAC的位分辨率，对于AD5420而言取N=16，D为通过SPI接口写入到片内DAC数据寄存器中的十进制数值。

2.4人机接口模块

系统的人机接口模块硬件实现十分简洁，主要包括按键接口功能和OLED液晶显示功能。按键接口主要实现输出参数的配置功能，使用STM32的I/O口直接控制，其电路相对简单，不再赘述。液晶显示模块综合考虑模块功耗和可视范围等因素，选择使用0.96英寸OLED模块代替常规的LCD模块，相同分辨率下(128×64)功耗更省，体积更小，接口简便，适于便携式应用。OLED模块的电气连接原理图如图3，主要用于系统工作状态显示和参数设置。

图3　OLED显示模块电气连接原理图

2.5通信接口模块

通信接口模块用于与上位微机进行通信，接收远程程控指令和传输系统状态数据，考虑到可靠性和实用性，系统通信接口采用成熟的RS232电气接口。STM32的I/O管脚为3.3VLVTTL，需要通过MAX3232CSE芯片转换为RS232电平接口。

3应用软件

便携式恒流源系统软件与前述的硬件电路功能模块对应，可以划分为：电源状态监测、STM32核心模块、恒流程控输出、人机接口管理、通信接口功能等。另外再增加初始化模块，用于设置STM32核心电路和各功能电路的初始状态。考虑到本系统设计的功能，没有采用嵌入式操作系统，直接在主函数中以分时和中断的方式调用各功能模块子函数。SPI总线驱动的程控恒流输出函数软件流程图如图4。

图4　程控恒流输出函数软件流程

4结论

应用于某型测试设备时，开机30 min后，待电路工作稳定后，数控高精度mA电流源输出从0 mA递增到20 mA，再从20 mA递减到0 mA，利用经过校准的FLUKE45B五位半台式数字万用表对恒流源输出电流进行测试。程控恒流输出误差测试结果如图5所示。

图5　程控恒流输出误差测试结果

实际测试效果表明，受系统电路非线性因素等的影响，实际输出电流的精度与式(1)计算得到的理想精度相比有所下降，在全量程范围内，实测值与设定值相比最大误差小于1 μA，小于全量程范围FSR的0.5%，满足该设备所需的测试精度。

参考文献：

[1]秦玲,赖青贵,张良,等.基于运算放大器的压控恒流源[J].强激光与粒子束,2010,22(3):553-556.

[2]黄静,何青.基于功率MOS管恒流源电路的研究[J].电力学报,2014,29(1):43-47,51.

[3]荣军,张敏,李一鸣,等.基于单片机的恒流源技术研究[J].电子器件,2011,34(01):63-65.

[4]刘军.例说STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.[5]Analog Device Inc.AD5420 data sheet (Rev.H)[EB/OL].[2015-06-12].http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD5410_5420.pdf.

(责任编辑唐定国)

本文引用格式：邵帆，牛绿伟.ARM平台下便携式数控高精度mA电流源设计[J].兵器装备工程学报，2016(5):120-122.

Citation format:SHAO Fan,NIU Lyu-wei.Portable High Accuracy mA Constant-Current Source Design Based on ARM[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):120-122.

Portable High Accuracy mA Constant-Current Source Design Based on ARM

SHAO Fan,NIU Lyu-wei

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China)

Abstract:Aiming at the requirement of high precision constant current source in the actual detection technology,the portable numerical control high precision mA constant current source was designed based on ARM platform.It was designed that the STM32 MCU controlled the programmable current source AD5420 chip and obtained high precision 0～24 mA current output.The actual operation results show that the design of the portable constant current source is simple with higher accuracy and the maximum error is not more than 0.5%of the output range.

Key words:mA current source; ARM; STM32 MCU; programmable current source DAC; portable

doi:【信息科学与控制工程】10.11809/scbgxb2016.05.029

收稿日期：20155-11-02；修回日期：2015-12-10

作者简介：邵帆(1983—)，男，工程师，主要从事机载武器系统总体设计。

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0120-03