基于STM32的程控直流电子负载

摘 要 设计了基于Cortex-M3内核的STM32F103芯片为控制核心的硬件系统，采用硬件PI调节器构成串联负反馈闭环控制结构，提高电流控制精度。软件直流采样部分采用防脉冲干扰的中位值平均滤波算法对采样数据进行处理，减小随机误差对电子负载性能的影响，最终实现恒流和恒阻两种工作模式。并且，采用LCD显示屏进行模式的切换和参数的设定，实现了较好的人机交互。详细研究了PI调节器的设计和中位值平均滤波算法对负载参数精度提高的影响，设计了一种低成本，较高精度，人机交互较好的程控电子负载。

【关键词】电子负载 PI调节器 滤波算法 STM32

1 引言

在各种电子产品设计中需要用到负载测试，如蓄电池放电试验，购买电池、电源时等都需要负载测试。当前，国内外对上述产品的试验一般都采用传统的静态负载（电阻箱、滑线变阻器等）能耗放电的办法进行。

纵观直流电源的发展史，从复杂、笨重的线性电源到高效便捷的开关电源，从简单的模拟电源到复杂的数控电源，电源逐渐覆盖了我们日常生活的各个领域，因而人们对电子负载的需要越来越多，对其功能的要求也越来越高。而传统的电源检测技术在测试电源性能时，往往需要接入不同性质、阻值的负载，传统的测试方法存在很大的局限性，如大功率可变电阻体积较大，分离电阻元件阻值不连续。为准确检测电源的可靠性和带载能力，因此本文把电力电子技术和微机控制技术有机地结合起来，实现电源的可靠检测。在传统直流电源的基础上，利用微处理器、A/D、D/A转换器，结合软件编程，对电子负载进行程序控制。同时，应用控制理论设计一套高效的控制算法，来提高电子负载的控制精度，数据直观的显示在LCD触摸屏上，实现较好的人机交互，并能实现恒流、恒阻等模式的切换。

本程控直流电子负载采用硬件、软件双调节系统与传统的模拟电阻性负载相比较具有成本低、性能好等长处，由于程控电子负载相较于模拟电阻性负载具有更多的优点，电子负载被越来越多地应用到各种实验场所，有着广阔的市场和广泛的应用前景。

2 程控直流电子负载的原理及整体方案

目前的恒流电路大都是在基本恒流电路的基础之上进行改进，逐渐发展成形。目前应用比较广泛的有线性调节和开关式调节两种电流调节方式，分别对这两种调节方式的特点进行总结，得到表1。

吸取现阶段程控直流电子负载设计的优点。如图1所示，本程控直流电子负载方案构成为，STM32F103单片机通过内部集成的D/A，A/D模块来调节给定电压值，再经过V/I转换电路改变输出电流值，外围可以适当的增加运放电路来比例调节基准电压的大小。增加了保护电路，采用运算放大器构成的窗口比较器，采样电压位于窗口值以内时，保护电路不动作，一旦采样电压值越界，保护电路及时切断电源，并反馈给单片机，单片机控制声光报警装置提醒用户。并且LCD显示屏替换了传统的显示器，可以显示电压、电流、英文标注并且负载参数显示精度可以达到三位数。

3 程控电子负载的硬件设计

程控电子负载的硬件设计是整个电子负载设计的基础。硬件设计主要包括单片机最小系统的设计和外围电路的设计，考虑如何实现功能的同时还必须兼顾元器件之间的相互影响的问题。本章从单片机系统的设计、电压电流转换模块的设计、PI调节器模块的设计这几个方面进行硬件设计开发。

3.1 单片机系统设计

单片机系统主要是由单片机最小系统及LCD显示器、外部按键、声光报警电路这些外围电路一起构成的数字电路控制模块。

显示器件采用LCD液晶屏，显示模块的内部包含有一个液晶控制芯片 ILI9341，显示时，各种模块共同作用把 GRAM存储单元中的数据转化成液晶面板的控制信号，使像素点呈现特定的颜色，各个像素点组合起来则成為一幅完整的图像来实现液晶显示。本设计用STM32F103的FSMC接口实现控制LCD的8080时序，较好的实现人机交互。采用矩阵键盘作为外部按键，蜂鸣器与LED实现声光报警，完成整个单片机系统的设计。

3.2 电压电流转换电路的设计

V/I转换电路是整个程控电子负载的核心电路，V/I转换电路是一种将输入电压转换为电流的电路，电子负载外接电源供电时，流过电子负载的电流值不会随着外部电压的改变而改变，而是仅取决于控制电压的大小。

如图2所示，外部电源V1为电子负载提供电压，R1为电流检测电阻。运算放大器U5与R8、C1组成PI调节器，Q1构成场效应管电路。电子负载内部电路上R1上的电压值，送入U6运放构成的前置放大器，进行电压放大后送入由U5运放，该运放构成PI调节器对场效应管的Vgs进行调节，控制场效应管的导通电阻进而达到恒流的目的。

下面通过计算来说明V/I转换电路的工作原理：

设流过反馈电阻的电流为If，则反馈电压为

由上式可知，当电阻R2、R4、R6、R7、Rf的阻值固定，输出的电流值只跟输入电压有关，与外加电源电压的大小无关，外部电压在合适的范围内改变时，输出电流恒定。

因为A/D模块只能对外部电压的大小进行检测，所以检测电流时用电阻R1将电子负载电路中的电流信号转化成电压信号送入A/D模块进行检测。负载电流I与电流采样点电压Uf的关系为

电压采样电路中，由于电子负载的输入电压范围比较宽，实际工作电压较高，采样前首先进行了分压设计。如图2所示采用1/11的分压被试电源两端的电压U与电压采样点电压Ur5的关系为

根据电压检测电路所检测到的电压值，可以知道电子负载两端的实时电压值，根据矩阵键盘输入的电阻值和A/D模块检测到电路两端的电压值则可以计算出电路中应当存在的实时电流值，再根据恒流原理D/A模块对电流值进行精确控制则可以实现恒阻模式。恒阻模式下电压U与电路中电流I的关系为

因为R1=0.2Ω，电路中的电流100mA

3.3 PI调节电路的设计

为了提高电子负载的稳定性，本设计在传统的V/I转换电路上进行了改进，增加了由运算放大器构成的硬件PI调节器，达到快速稳定电流输出的目的。PI调节器如图3所示。

对于电子负载的设计，精确度是一个不容忽视问题。控制MOS管导通量的变换是一个不停变化调节的过程，传统的比较器仅仅只是比较设置值与实测值，比较后的输出作用于MOS管的门极。这样的反馈系统只能使MOS管在通和短两种状态下切换，而PI调节器可以更加精确的调节MOS管的导通角，使其导通角更够在更大的范围内进行调整。如图3所示的PI调节器，其输出电压Vout由比例和积分两个部分组成，零状态的阶跃响应的输出电压的时间特性如图4所示。

瞬间加入输入电压Uin时，开始的瞬间电容C1相当于短路，反馈阻抗只有电阻R3，输出电压从0跳变到K×Uin。随着电容C1被充电UO不断线性增长，直到达到最大放大电压或运算放大器饱和。

因此，比例积分器拥有比例控制和积分控制两种优点，比例控制部分能够迅速响应外部输入，积分控制部分能够消除稳态偏差，实现对MOS管导通角的有效控制，只要负载电路中的实测值与设定值之间有偏差，输出就会反复调节，消除稳态误差，实现无静差的调节。

PI调节器是一种线性控制器，理论输出值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差

将偏差的比例P和积分I通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，规律为

e（t）为PI控制器的输入，u（t）为PI控制器的输出，K为比例系数，TI为积分时间常数。通常K的增大会使闭环系统的调节量增大，系统响应速度加快，但是系统会变得不稳定。积分环节主要作用于消除静差，积分作用的強弱取决于积分常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之越强。积分作用越弱，系统响应速度越慢。

本设计，为了较快且更加精确的消除误差，取R1=R2=R3=10KΩ，C1=1uF。

所以，本设计的PI调节器K=1，TI=0.01s。

4 程控电子负载的软件设计

软件部分主要分为整体控制设计和中位值滤波算法设计两个部分。

4.1 整体控制设计

程控电子负载的主程序设计主要采模块化设计的方式。单片机工作流程图如图5所示。当打开单片机电源，单片机启动并开始工作时用了。单片机先单片机只执行按键查询、LCD显示等功能，显示开始界面，此时可以选择进入恒流或者恒阻模式。进入恒流、恒阻模式后输入设定的电流、电阻预置值，则完成负载设置，单机启动运算子程序开始运算所需输出电压值，再经过D/A转化产生基准电压，通过外部PI调节器和内部闭环调节来控制MOSFET的栅极电压，完成负载调节，在恒流、恒阻的工作模式下都进行A/D电压、电流检测，测出电子负载的实际电压和电流值，并通过液晶显示屏显示出来。如果电子负载在工作过程中出现了故障，导致电子负载内部电流过大，达到可以损坏该设计的阈值时，单片机会迅速产生中断，向外界发出报警信号的同时结束整个系统的工作，保护内部电路不被烧毁。

4.2 A/D采样滤波算法的设计

对于A/D采样来说，一次的采样数据不能合理的代表当前时刻的电压值，因为有外部和内部各种干扰的存在，会对采样值造成一定的误差，为了克服这种误差，可以采用数字滤波的方法对随机予以消除。本设计采用中位值平均滤波算法（防脉冲干扰平均滤波算法）其融合了“中位值滤波算法”能有效克服因偶然因素引起的波动干扰和“算数平均滤波算法”适用于信号求均值的优点，可消除脉冲信号干扰和采样值偏差。程序流程图如图6。

该方法的思路为，连续采样n个数据，将这一组数据进行排序，去除最大值和最小值，计算n-2个数据的算数平均值，作为最后的结果。经过测试发现n取10的时候效果较好 。

5 样机测试结果

文章按照本设计，制作了负载样机，测试性能满足如下要求：

（1）电流输入范围：0～1A，分辨率：0.01A，精度：5%

（2）恒阻模式：1Ω～2KΩ，分辨率：1Ω，精度：5%

首先测试系统的恒流特性，将直流电源和电子负载构成闭合回路，设定不同的放电电压，将得到的测试电流和目标电流值相比较，分析误差。

表2为恒流模式下的测试数据节选。电流精度在5%内时，设备两端电压变化范围较广。输出电流分辨率可以达到10mA，可以达到设计要求。相较于现阶段的恒流电子负载，提高了电流分辨率和恒流情况下电压变化范围 。

表3为恒阻模式下的部分测试结果，在设定电阻值不大的时候，外部提供较大的电压，电子负载上电流值较大时实际电阻值和目标电阻值差距不大。随着目标电阻增加，电子负载上的电流减小，D/A输出控制精度达不到要求则误差会增大，此时如果增加外部电压来提升电路中电流，则会导致A/D检测电压超出范围或测试不准确也会使整体误差增大。在该设计中，恒阻模式下，电阻值设置到500Ω以下使恒阻效果较好，误差较小。若电阻值大于500Ω时也能在一定的电压范围内实现恒阻，但电压范围较小，误差较大。

6 结束语

本文在理论分析的基础上，设计了一种高性价比的程控直流电子负载。详细讨论了程控直流电子负载的硬件、软件双调节系统的设计。样机测试结果证明，设计的电子负载具有较高的稳定性，性能优良，满足设计要求。

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作者简介

刘俊杰（1997-），男，大学本科在读。通信工程专业。研究方向为嵌入式技术。

作者单位

武汉理工大学信息工程学院 湖北省武汉市 430070