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      基于LTC2945的電壓、電流監(jiān)測(cè)及保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

      2018-08-23 09:47:34
      關(guān)鍵詞:電流值總線芯片

      楊 偉

      (山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030000)

      引言

      隨著當(dāng)今電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的不斷提升,管理電路中的電壓、電流變得更加重要。從工業(yè)應(yīng)用到家用智能設(shè)備,精確的電壓和電流監(jiān)測(cè)對(duì)于節(jié)能及可靠性保證至關(guān)重要[1]。LTC2945是一款可適應(yīng)多種應(yīng)用的通用板級(jí)電源監(jiān)視器,可精確測(cè)量電流、電壓和功率。本文采用基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM-STM32芯片作為主控核心,通過I2C總線讀取LTC2945片上電壓及電流值,當(dāng)所測(cè)量值大于基準(zhǔn)值時(shí),STM32通過控制保護(hù)電路達(dá)到電源的通斷控制目的。

      1 系統(tǒng)概述

      1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

      本文選用凌特公司推出的12位高精度電流、電壓及功率監(jiān)測(cè)器LTC2945作為測(cè)量芯片。LTC2945是一款軌至軌系統(tǒng)監(jiān)視器,測(cè)量范圍0~80 V,測(cè)量精度高達(dá)25 mV(102.4 V滿量程),數(shù)據(jù)刷新率為7.5 Hz;LTC2945包含一個(gè)I2C接口去讀取內(nèi)置數(shù)據(jù)/控制寄存器中的值。兩個(gè)三態(tài)引腳ADR1和ADR0組成9種編碼地址,達(dá)到一臺(tái)主機(jī)可以同時(shí)控制9臺(tái)從機(jī)設(shè)備的目的;LTC2945的SDA引腳分離出SDAI(輸入)和SDAO(輸出)避免輸入輸出數(shù)據(jù)間干擾;由于其內(nèi)部使用的是I2C總線接口,使其很容易與主控設(shè)備組成電壓、電流測(cè)試系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用市面上主流的ARM芯片STM32F103ZET6作為主控MCU,其內(nèi)核采用ARM架構(gòu),具有豐富的片上邏輯資源及外部IO接口資源,位寬高達(dá)32位,集成512Mbyts的FLASH內(nèi)部存儲(chǔ)器及64Kbyts的內(nèi)部RAM塊,以其工作穩(wěn)定、資源豐富的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域[2]。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是編程語言采用靈活的C語言,結(jié)構(gòu)清晰、易于開發(fā)、執(zhí)行效率高,且代碼穩(wěn)定、可移植性強(qiáng),可在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作??勺兓鶞?zhǔn)電壓、電流輸入模塊借鑒LTC2945芯片工作原理,采用10個(gè)撥碼開關(guān)分別與STM32主芯片的10個(gè)IO引腳連接,當(dāng)選擇電壓檔位時(shí),程序執(zhí)行讀取電壓操作,由于LTC2945最大電壓可測(cè)量80 V,本設(shè)計(jì)最大基準(zhǔn)電壓也設(shè)為80 V,將其分成1 024等份,0~80 V電壓可以用10個(gè)撥碼開關(guān)組合表示,精度高達(dá)78.125 mV。通過撥碼開關(guān)狀態(tài)量設(shè)定當(dāng)前過壓值,使其與LTC2945測(cè)量值做比較,當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí),MCU主芯片通過控制引腳通告控制保護(hù)電路模塊使其切斷電源,達(dá)到保護(hù)電路的目的。當(dāng)選擇電流檔位時(shí),程序執(zhí)行讀取電流操作,由于LTC2945最大電流可測(cè)量5.12 A,本設(shè)計(jì)最大基準(zhǔn)電壓也設(shè)為5.12 A,將其分成1024等份,0~5.12 A電流值可以用10個(gè)撥碼開關(guān)組合表示,精度高達(dá)5 mA。通過撥碼開關(guān)狀態(tài)量設(shè)定當(dāng)前過流值,使其與LTC2945測(cè)量電流值做比較,當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定過流量時(shí),MCU主芯片通過控制引腳通告控制保護(hù)電路模塊使其切斷電源,達(dá)到保護(hù)電路的目的。

      1.2 系統(tǒng)工作原理

      系統(tǒng)采用采用ARM最先進(jìn)架構(gòu)的基于Cortex-M3內(nèi)核的處理器STM32F103ZET6芯片作為整體控制核心,通過讀寫I2C總線時(shí)鐘操縱LTC2945芯片,該芯片內(nèi)置一個(gè)12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可精確讀取被測(cè)電壓、電流值;STM32實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)讀取LTC2945片上電壓及電流值,當(dāng)所測(cè)量值大于基準(zhǔn)值時(shí),STM32通過控制保護(hù)電路達(dá)到電源的通斷控制目的。

      STM32F103ZET6主頻可達(dá)72 MHz,內(nèi)存FLASH高達(dá)512 kB,SRAM高達(dá)64 kB,2個(gè)I2C總線接口,支持 FSMC(flexible static memory controller)靜態(tài)存儲(chǔ)控制器,可用于控制各種類型的高速存儲(chǔ)器。FSMC高速總線直接連到MCU,可以快速高效地實(shí)現(xiàn)讀寫操作,也可使其便于驅(qū)動(dòng)可觸控液晶屏?;谏鲜鲇布渲茫疚倪x用帶ILI9341控制器的TFT液晶屏,使其可以直觀地觀測(cè)被監(jiān)測(cè)電壓、電流值。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

      圖1 系統(tǒng)方框圖

      整個(gè)系統(tǒng)由主控MCU、可變基準(zhǔn)輸入模塊、LTC2945監(jiān)測(cè)模塊、輸入電源、電路保護(hù)控制模塊和告警顯示模塊組成。

      主控MUC是整個(gè)系統(tǒng)的核心心臟,LTC2945監(jiān)測(cè)輸入的電壓、電流值,當(dāng)監(jiān)測(cè)值大于預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)值時(shí),MCU將通過電路保護(hù)控制模塊起到電路保護(hù)的功能,并通過液晶屏直觀地顯示出被測(cè)電壓、電流值。

      2 系統(tǒng)功能模塊及程序設(shè)計(jì)

      2.1 硬件功能模塊設(shè)計(jì)

      圖2為L(zhǎng)TC2945控制電路圖,STM與LTC2945之間采用I2C協(xié)議通信,LTC2945采用獨(dú)立的輸入、輸出數(shù)據(jù)傳輸,有效地避免了輸入、輸出數(shù)據(jù)的碼間串?dāng)_;電路中采用光耦MOCD207M實(shí)現(xiàn)輸入、輸出數(shù)據(jù)的隔離;LTC2945將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后通過SDAO數(shù)據(jù)線串行傳送到STM32 I2C總線上。

      圖2 LTC2945控制電路圖

      圖3 系統(tǒng)工作流程圖

      2.2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

      使用Keil-MDK開發(fā)環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了編碼。當(dāng)系統(tǒng)上電后,各系統(tǒng)參數(shù)初始圖2LTC2945控制電路圖化完成,主機(jī)通過I2C總線識(shí)別到從機(jī)地址,與從機(jī)握手成功后,從機(jī)回應(yīng)主機(jī)ACK信號(hào),隨后主機(jī)判斷從機(jī)是否讀取的為電壓值,如果是則與基準(zhǔn)電壓做比較,如果超過基準(zhǔn)閾值,則主機(jī)開啟電路保護(hù)模塊切斷電源,并產(chǎn)生告警提醒。同理,電流值也會(huì)輪詢被監(jiān)控。其工作流程圖如圖3所示。

      2.3 測(cè)試結(jié)果及性能分析

      在搭建電路及程序調(diào)試完成后,選取實(shí)驗(yàn)室某電源模塊進(jìn)行測(cè)試,利用液晶屏將測(cè)試電壓、電流值直觀顯示出來,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

      圖4 液晶屏實(shí)測(cè)結(jié)果圖

      3 結(jié)語

      本文給出了一種有效的監(jiān)測(cè)電壓、電流及其過壓、過流保護(hù)的電路設(shè)計(jì)方案,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其測(cè)試結(jié)果精確、可靠,可廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)中。

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