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

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)測對于節(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)用的通用板級電源監(jiān)視器，可精確測量電流、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)所測量值大于基準(zhǔn)值時，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)測器LTC2945作為測量芯片。LTC2945是一款軌至軌系統(tǒng)監(jiān)視器，測量范圍0～80 V，測量精度高達(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I2C接口去讀取內(nèi)置數(shù)據(jù)/控制寄存器中的值。兩個三態(tài)引腳ADR1和ADR0組成9種編碼地址，達(dá)到一臺主機(jī)可以同時控制9臺從機(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)部存儲器及64Kbyts的內(nèi)部RAM塊，以其工作穩(wěn)定、資源豐富的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域[2]。該系統(tǒng)最大的特點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。可變基準(zhǔn)電壓、電流輸入模塊借鑒LTC2945芯片工作原理，采用10個撥碼開關(guān)分別與STM32主芯片的10個IO引腳連接，當(dāng)選擇電壓檔位時，程序執(zhí)行讀取電壓操作，由于LTC2945最大電壓可測量80 V，本設(shè)計最大基準(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測量值做比較，當(dāng)測量值大于設(shè)定值時，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，程序執(zhí)行讀取電流操作，由于LTC2945最大電流可測量5.12 A，本設(shè)計最大基準(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測量電流值做比較，當(dāng)測量值大于設(shè)定過流量時，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總線時鐘操縱LTC2945芯片，該芯片內(nèi)置一個12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可精確讀取被測電壓、電流值；STM32實時監(jiān)測讀取LTC2945片上電壓及電流值，當(dāng)所測量值大于基準(zhǔn)值時，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I2C總線接口，支持 FSMC（flexible static memory controller）靜態(tài)存儲控制器，可用于控制各種類型的高速存儲器。FSMC高速總線直接連到MCU，可以快速高效地實現(xiàn)讀寫操作，也可使其便于驅(qū)動可觸控液晶屏。基于上述硬件配置，本文選用帶ILI9341控制器的TFT液晶屏，使其可以直觀地觀測被監(jiān)測電壓、電流值。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

整個系統(tǒng)由主控MCU、可變基準(zhǔn)輸入模塊、LTC2945監(jiān)測模塊、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是整個系統(tǒng)的核心心臟，LTC2945監(jiān)測輸入的電壓、電流值，當(dāng)監(jiān)測值大于預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)值時，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電壓、電流值。

2 系統(tǒng)功能模塊及程序設(shè)計

2.1 硬件功能模塊設(shè)計

圖2為LTC2945控制電路圖，STM與LTC2945之間采用I2C協(xié)議通信，LTC2945采用獨立的輸入、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

使用Keil-MDK開發(fā)環(huán)境對控制系統(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，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，電流值也會輪詢被監(jiān)控。其工作流程圖如圖3所示。

2.3 測試結(jié)果及性能分析

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

圖4 液晶屏實測結(jié)果圖

3 結(jié)語

本文給出了一種有效的監(jiān)測電壓、電流及其過壓、過流保護(hù)的電路設(shè)計方案，實驗結(jié)果表明其測試結(jié)果精確、可靠，可廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)中。