ARM平臺下便攜式數控高精度mA電流源設計

邵　帆，牛綠偉

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽　471009)

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ARM平臺下便攜式數控高精度mA電流源設計

邵帆，牛綠偉

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009)

摘要：針對實際檢測技術中對高精度恒流電流源的需求，設計基于ARM平臺的便攜式數控高精度mA恒流源，該設計由STM32微控制器連接控制可編程電流源AD5420芯片，獲得高精度0～24 mA電流輸出。實際的工程項目結果表明，所設計的便攜式恒流源，操作簡便，最大誤差不超過輸出量程范圍的0.5%，具有較高的精度。

關鍵詞：mA電流源；ARM；STM32微控制器；可編程電流源DAC；便攜式

恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源，也稱作穩流源或電流源。實際檢測技術中，恒流源作為電路的激勵信號源，隨著電子技術的發展使用范圍越來越廣，在電子測量儀器、激光、傳感技術、超導、現代通信等高新技術領域廣泛應用[1]。目前，在傳感器模擬電路中，一般的恒流源激勵信號幅度較小，以mA計算，此時電流偏差要求相對較高，需要作為激勵信號的恒流源具有較高的精度和穩定性。同時，為適應測試需求或電路功能的擴展要求，需要提供數字控制功能接口。

針對高精度便攜式恒流源的需求，提出了一種基于ARM平臺下STM32作為主控制器的設計，該恒流源能夠提供高精度的0～24 mA恒流輸出，并在此輸出范圍內程控可調。

1系統設計

目前mA級恒流源的電路設計大多采用功率晶體管電路搭建[2]，或由DAC經過V/I轉換電路輸出，數控功能則大多選擇單片機作為主控制器。為實現高精度mA級輸出，還需要增加ADC采樣反饋回路，增加了電路復雜度和系統成本。高精度便攜式恒流源采用ARM 內核STM32作為主控制器，與單片機相比較，軟硬件優勢明顯，性價比高，正被越來越多運用于高集成度和低功耗的嵌入式系統中[3]。

該系統主要由穩壓電源電路、核心微控制器模塊、恒流輸出電路模塊、人機接口模塊和通信接口模塊組成，系統的總體結構框圖如圖1。其中人機接口模塊主要包含液晶顯示模塊和按鍵接口模塊。穩壓電源模塊主要由外接USB接口或者內部可充電鋰電池提供一級電源，再轉換為系統功能電路所需電源電壓。微控制器模塊選用STM32F103RBT6作為系統的核心微處理器，主要負責系統工況監測、人機接口控制和恒流電流輸出芯片控制等功能。恒流輸出電路模塊采用可編程電流源DAC芯片AD542，受STM32控制輸出0～24 mA范圍內指定大小的恒流電流信號。OLED液晶顯示模塊顯示恒流源工作狀態參數。按鍵接口模塊用于系統參數設置，通信接口模塊則經由RS232通信接口與上位微機進行通信，接收指令和傳輸數據。

圖1　系統總體結構框圖

2硬件設計

2.1穩壓電源電路

針對便攜式恒流源的電源功率需求，兼顧接口使用的方便性，內部穩壓電源模塊配置有3.7 V輸出2 000 mAh容量可充電鋰電池，同時提供DC+5V 500 mA電源輸入USB接口，根據實際使用情況切換。經過DC/DC轉換電路得到穩定的+5 V電源，隨后再轉換為系統功能電路所需各路電源電壓：模擬+5 V/-5 V、+15 V，數字+5 V，+3.3 V，參考電壓+3.3 V等。

2.2核心微控制器

本系統使用的主控芯片是基于Cortex-M3內核的STM32F103RBT6，內部128 kB FLASH和20KB SRAM。Cortex-M3內核是為低功耗和價格敏感的應用而專門設計的，具有突出的能效比和處理速度，通過采用Thumb-2高密度指令集，Cortex-M3降低了系統存儲要求，同時快速的中斷處理能夠滿足控制領域的高實時性要求，使基于該內核設計的STM32系列微控制器能夠以更優越的性價比面向更廣泛的應用領域[4]。

2.3恒流輸出電路

不同于采用分立晶體管電路或者V/I電路搭建的技術方案，考慮到mA級恒流源設計的簡單性和可靠性，系統采用單片可編程電流源集成電路芯片AD5420直接輸出0～24 mA 電流驅動信號。AD5420是可編程電流源輸出的低成本、精密、完全集成的16位轉換器，可滿足工業過程控制應用的要求[5]。輸出電流范圍可編程為0～24 mA的超量程，輸出具有開路保護功能，可以驅動1H的電感負載。設計中采用AVDD+15V的電源供電。AD5420同時提供靈活的SPI和MICROWIRE兼容接口，可在三線制模式下工作，可以方便地與STM32的SPI接口對接。可靠性方面，除了前述的開路保護功能外，還具備在已知狀態下上電的上電復位功能，以及將輸出設定為所選電流范圍低端的異步清零(CLEAR)引腳。所需的輸出配置可由用戶通過寫入控制寄存器選擇。其連接原理圖如圖2所示，具有電路調節方便的優點。

圖2　可編程電流源電路連接原理圖

與分立電路方案相比，可編程電流源芯片內部的精密數字電流環路輸出轉換器，將DAC內核的電壓輸出轉換為電流，然后鏡像至供電軌，從而得到一個相對于地的電流源輸出，為產生mA級恒流源信號提供了一種高精度、全集成、低成本的解決方案。當輸出范圍為0～24 mA時，恒流輸出電路的傳遞函數可以用以下式描述，

(1)

其中iout為輸出電流，N為片內DAC的位分辨率，對于AD5420而言取N=16，D為通過SPI接口寫入到片內DAC數據寄存器中的十進制數值。

2.4人機接口模塊

系統的人機接口模塊硬件實現十分簡潔，主要包括按鍵接口功能和OLED液晶顯示功能。按鍵接口主要實現輸出參數的配置功能，使用STM32的I/O口直接控制，其電路相對簡單，不再贅述。液晶顯示模塊綜合考慮模塊功耗和可視范圍等因素，選擇使用0.96英寸OLED模塊代替常規的LCD模塊，相同分辨率下(128×64)功耗更省，體積更小，接口簡便，適于便攜式應用。OLED模塊的電氣連接原理圖如圖3，主要用于系統工作狀態顯示和參數設置。

圖3　OLED顯示模塊電氣連接原理圖

2.5通信接口模塊

通信接口模塊用于與上位微機進行通信，接收遠程程控指令和傳輸系統狀態數據，考慮到可靠性和實用性，系統通信接口采用成熟的RS232電氣接口。STM32的I/O管腳為3.3VLVTTL，需要通過MAX3232CSE芯片轉換為RS232電平接口。

3應用軟件

便攜式恒流源系統軟件與前述的硬件電路功能模塊對應，可以劃分為：電源狀態監測、STM32核心模塊、恒流程控輸出、人機接口管理、通信接口功能等。另外再增加初始化模塊，用于設置STM32核心電路和各功能電路的初始狀態。考慮到本系統設計的功能，沒有采用嵌入式操作系統，直接在主函數中以分時和中斷的方式調用各功能模塊子函數。SPI總線驅動的程控恒流輸出函數軟件流程圖如圖4。

圖4　程控恒流輸出函數軟件流程

4結論

應用于某型測試設備時，開機30 min后，待電路工作穩定后，數控高精度mA電流源輸出從0 mA遞增到20 mA，再從20 mA遞減到0 mA，利用經過校準的FLUKE45B五位半臺式數字萬用表對恒流源輸出電流進行測試。程控恒流輸出誤差測試結果如圖5所示。

圖5　程控恒流輸出誤差測試結果

實際測試效果表明，受系統電路非線性因素等的影響，實際輸出電流的精度與式(1)計算得到的理想精度相比有所下降，在全量程范圍內，實測值與設定值相比最大誤差小于1 μA，小于全量程范圍FSR的0.5%，滿足該設備所需的測試精度。

參考文獻：

[1]秦玲,賴青貴,張良,等.基于運算放大器的壓控恒流源[J].強激光與粒子束,2010,22(3):553-556.

[2]黃靜,何青.基于功率MOS管恒流源電路的研究[J].電力學報,2014,29(1):43-47,51.

[3]榮軍,張敏,李一鳴,等.基于單片機的恒流源技術研究[J].電子器件,2011,34(01):63-65.

[4]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，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.

(責任編輯唐定國)

本文引用格式：邵帆，牛綠偉.ARM平臺下便攜式數控高精度mA電流源設計[J].兵器裝備工程學報，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:【信息科學與控制工程】10.11809/scbgxb2016.05.029

收稿日期：20155-11-02；修回日期：2015-12-10

作者簡介：邵帆(1983—)，男，工程師，主要從事機載武器系統總體設計。

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0120-03