STM32F103控制器的蓄电池双向电流检测

1 硬件设计
蓄电池组信号采集和处理的工作原理如图1所示。功能上包括独立的两部分：电压检测和电流检测。其中电压检测实现较为简单。系统充放电电流的实时检测选用瑞士LEM公司的LA28-NP电流传感器。

ST公司推出的STM32F103系列控制器采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz。该器件内置高速存储器(高达128 KB的闪存和20KB的SRAM)，丰富的增强I／O端口和连接到两条APB总线的外设；具有3个通用16位定时器和1个PWM定时器，以及2个I2C和2个SPI、3个USART、1个USB和1个CAN通信接口；工作于-40～+105℃的温度范围，供电电压为2．O～3．6 V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。STM32F103系列处理器不但具有高速可靠、资源丰富、工作温度和供电电压范围宽、功耗低、性价比高的特点，而且内部集成双路A／D转换器(16通道，12位精度，1 μs转换时间)。
1．1 电压检测
电压信号量的检测采用双电阻分压模式，取两个合适阻值的电阻串联分压，分压后的电压信号送入STM32F103处理器的A／D转换引脚。本设计中，控制器基准电压采用+2．5 V，故电压信号输入范围须小于或等于2．5 V，即：

其中，Vbat为蓄电池组电压值，实际变化范围为20～28 V，这里Vbat取最大值28 V；R1和R2为分压电阻，均选用精度为1％的金属膜电阻。R1=102 kΩ，R2=10 Ω，R1和R2的串联电阻达到112 kΩ，消耗的电量对装备工作不会产生过大的影响。
1．2 充放电电流双向采样与处理
采用LA28-NP电流传感器对充放电电流进行实时检测。该传感器是利用霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器，原边回路和副边回路之间绝缘，可用于测量直交流脉冲和混合型电流，供电电压±15 V。系统中采用1000：5的匝比，原边回路的充放电±5 A电流对应副边回路的额定电流Is，其有效值为±25 mA。在应用中，感应电流Is通过精密电阻Rm，取得电压量V1，电阻Rm的取值取决于A／D转换器对于V2的要求。
LA28-NP的输出电流为双向，即±25 mA的电流信号。在实际工作中，放电时输出最大电流为+25 mA，而充电时，输出最大电流为-25mA，由此而取得的电压信号V1相对于地电平也为相应的正负电压。STM32F103内置的ADC电压输入范围为Vref-≤Vin≤Vref+。本设计中Vref-接模拟地，Vref+接2．5 V基准电压，故ADC输入范围为O～2．5 V。目前存在的问题是：STM32F103采用单3．3 V工作，模拟量输入无法处理反向电压。在传统的方式下，如果电阻Rm基准电平端接入地，充电时V1为负电压，控制器无能为力。针对这个问题，本文设计了图2所示的累加升压、跟随反向信号预处理电路，解决了双向电流的A／D采样问题。

该设计的基本思想是将双向电流的电压变化范围均控制在0～Vref+范围内。这是以牺牲A／D转换精度为代价的。详细过程如下：
①串入电阻Rm=50 Ω，获得模拟量电压输出V1范围为-1．25～+1．25 V。
②利用两门运算放大器构建求和电路，实现V1和+1．25 V基准电压累加，将V1扩展至0～-2．5 V。再做一次反向跟随放大，实现电压反向功能，输出电压V2为0～+2．5 V。
运算放大器选用通用运放LM324，供电电压±15V，和电流传感器LA28-NP采用同一供电电路。
取R3=R4=R5=10 kΩ，Vmid=-(1．25+V1)，故Vmid电压范围为O～-2．5 V。