嵌入式測試系統用高精度數控恒壓恒流源*

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(中國計量大學 質量與安全工程學院，杭州 310018)

引 言

隨著電子技術和數字電路的高速發展，電源被廣泛應用于電子設備、儀器調試、自動化檢測通信及航天等領域。電源的性能指標、應用范圍及發展空間備受人們關注，尤其在電源的穩定度和精度等方面。因為電源更穩定，精度越高，紋波系數越低，電子產品就能越穩定的工作，使用壽命才能延長[1]。

電源分為恒壓源和恒流源兩種[2]。傳統的穩壓源通常只具備穩壓功能，廣泛應用在各種電子線路中，但其卻不具備恒流源功能。現有的獨立恒流源多為線性電源，不具備恒壓源功能。目前，電源已朝著數控化方向發展，多采用模數和數模轉換器進行數字化控制，具有高精度、高穩定性、拓寬性強的特點[3-4]。

在技術方面，數控恒壓恒流源起步較晚，發展仍不夠成熟，現有的數控恒壓恒流源性價比都不高，產品種類也不豐富，因此性能優質的數控恒流源具有重大的理論價值和應用前景[5]。

盡管現在的數控電源很多，如ITEC、KEITHLEY等專業的數控電源，但是由于其體積大、重量大，不利于攜帶，同時還需要重新學習其編程語言才能操縱等諸多因素，不便用于在工業上的測試。因此文中設計了以DSPIC33EV128GM106為內核的數控恒壓恒流源，其具有體積小、重量輕、響應快并且能夠運用C語言編程的特點，利于攜帶而且滿足工業上快速測試比例閥的需求。該電源在最終測試中可以調節MSM-GRFY035F20E67液壓線圈。

1 系統方案

圖1 系統方案圖

系統主要由輔助供電電源、電流檢測、電壓檢測、模式控制、參數設定、串口通信、OLED顯示等電路環節組成，以DSPIC33EV128GM106為核心控制器件，控制各個模塊，實現恒壓/恒流的目的。系統控制方法有兩種方式：一種是板載電位器控制，通過調節電位器改變輸入電壓從而改變輸出電壓和電流，不同A/D通道反饋的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流會顯示在OLED屏幕上；另一種是PC模式，通過在上位機界面設置輸出電壓或輸出電流從而獲得輸出的電壓或輸出的電流，并能在上位機界面中顯示電壓-時間、電流-時間曲線，從而檢測PI閉環調節是否穩定。系統方案如圖1所示。

2 硬件電路

2.1 系統核心控制以及顯示電路

采用DSPIC33EV128GM106的6個A/D通道，分別是AN0、AN1、AN2、AN3、AN6、AN7口[4]，其中AN0、AN1為手動設置電壓，手動設置電流模式A/D反饋輸入通道；AN2、AN3為外部設定電壓、電流模式A/D反饋通道；AN6、AN7為輸出電壓、輸出電流模式A/D反饋通道。RC4、RC5、RB5、RB6為OLED顯示屏的接口，采用SPI通信的方式。最終，上述6個A/D通道的值都會顯示在OLED屏上，效果見圖2。

2.2 輔助電源穩壓電路

多數工業前級輸入電壓為24 V，因此為了滿足工業需求，該系統供電電壓選擇24 V。但是，由于系統內部單片機及其他芯片不需要24 V的電壓作為電源供電，因此需要本模塊將24 V供電電壓降為其他芯片所需的供電電壓。

圖2 樣機圖

所選用的芯片是TPS5430，這是一款電源轉換芯片，可以以24 V電壓作為它的輸入電壓，根據芯片手冊搭建出輸出12 V的電路，之后通過LM317芯片將12 V電壓轉換成5 V電壓，作為單片機的供電電壓。輔助電源電路如圖3所示。

圖3 輔助電源電路

2.3 主要電路設計

圖4電路是以MCP6002芯片為核心的電壓反饋電路。VOUT的輸出電壓通過R4、R5、R1分壓，最終R1上的電壓將進入芯片緩沖跟隨輸出，實現了將大電壓轉換成小電壓的功能，兩者之間存在線性關系，適用于單片機采集。

圖5的電路繼電器部分是為了防止實驗時整定PI參數時引起電路的崩潰，以及瞬時電流過大導致系統出現紊亂，通過繼電器控制輸出使能。繼電器通過單片機的AN51I/O口控制，硬件設計為一個按鍵，當按鍵按下，輸出使能，該位置高電平，繼電器中電磁鐵上拉，有電壓電流輸出；再次按下，該位置低電平，電磁鐵復位，但是內部程序仍在運行。

圖5電路具有電流采集的功能。AD8417是一款單電源、零漂移差動放大器。電流經過采樣電阻進入芯片內部。根據芯片手冊AD8417以60V/V的增益放大連接到其輸入端的采樣電阻上，從而測量電流。VFBK端則會檢測到采樣電阻的電壓值反饋給單片機。

圖5還具有BUCK電路。UCC27211是一個半橋驅動器，N1、N2是半橋NMOSFET管。PWM1H、PWM1L是兩路有死區并且互補的PWM波,分別從R1、R2進入半橋驅動器，最終通過改變PWM波占空比實現對輸出電壓的調節。

圖4 電壓反饋電路

圖5 主要電路

3 軟件設計

3.1 程序流程

單片機程序的編寫運用的是MATLAB集成開發環境，運用的是C語言程序[6]，采用模塊化編程。流程圖如圖6所示。使用DSPIC系列單片機時需要將各個寄存器配置好，在Microchip的官網上會有樣例代碼給予提示。系統的輸出使能、模式選擇均采用查詢方式在主程序中進行。PI閉環算法則放置在定時器中斷中，便于定時輸出結果。上位機串口通信的通信協議也放在串口通信的中斷中。

圖6 程序流程圖

3.2 PI閉環控制程序設計

PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法，在工業上廣泛應用。在實際應用中，有時只采用PD、PI甚至只有P的控制算法也可以滿足需求。該數控恒流恒壓源中采用的是具有抗飽和積分的PI閉環控制算法。只要通過調節合適的PI控制參數就可以實現恒壓恒流輸出的穩定。本項目中，單片機輸出的PWM波的占空比是被控參量。抗飽和積分的目的是為了保證占空比輸出在5%～95%之間，防止MOSFET管被擊穿破壞電路。

所用的PI算法可以整合為一個公式：

U(t)=Kp×e(t)+Ki×∑e(t)

其中U(t)為輸出的占空比，Kp為比例系數，Ki為積分系數。e(t)為當前測量值與設定值之間的偏差，設定值為被減數，結果可為正可為負，正值表示未達到設定值，負值表示超過設定值。∑e(t)表示每次測量的偏差值總和。實際程序如下所示：

int PID_CALV2(void){

Kp2 = 1800;/

Ki2 = 1.8;// 0.44;//0.15//3.055

if(ctlmode){

Sv2 = Iset/1000.0;

}

else

{

Sv2 = ((-1.1083 * mr_ADCres[1])+5.5251);

}

Pv2=((-1.1083*mr_ADCres[5]) + 5.5251);//IFBK

Ek2 = Sv2 - Pv2;

pout2 = Kp2 * Ek2;

iout2 = Ki2 * SEK2;

OUT2 = pout2 + iout2;

if(OUT2>2750){

if(Ek2 > 0.0)

SEK2 += 0;

else

SEK2 += Ek2;

}

else if(OUT2<350){

if(Ek2 > 0.0)

SEK2 += Ek2;

else

SEK2 += 0;

}

else

SEK2 += Ek2;

if(OUT2>2750)

OUT2 = 2750;

if(OUT2<350)

OUT2 = 350;

dutytwo = OUT2 ;

PDC1 = (int)dutytwo;

}

4 上位機設計及功能

上位機的功能是系統不僅能夠通過調整電位器而改變輸出電壓，而且還能通過上位機控制電源。目的是保證系統一旦被安裝在任何設備中，操作者也能在設備外部操縱該系統。該上位機可以實現以下功能:上位機奪取系統控制權，顯示輸出電壓、輸出電流值，切換恒壓源、恒流源模式，設定輸出電壓值、輸出電流值，顯示電壓-時間、電流-時間曲線。上位機界面如圖7所示。

5 實驗數據

由于該系統最終會應用到比例閥上，因此選用MSM-GRFY035F20E67液壓線圈作為負載來測試恒壓源和恒流源的功能。表1為恒壓源模式下測試數據，表2為恒流源模式下測試數據。

表1 恒壓源模式測量數據

表2 恒流源模式測量數據

圖7 上位機界面

結 語

[1] J W Lee, TIn Oh,SMPaek,Jet al.Precision constant current source for Electrical Impedance Tomography[J].Annual International Conference of the IEEE;EMBS,2003,30(6):1066-1069.

[2] 黃天辰,榮廣宇,李丹丹,等.高精度數控直流穩壓電源的設計與實現[J].化工自動化及儀表,2013,40(1):80-83.

[3] 吳光宇. 基于ARM的程控直流恒流源設計[D].蘇州：蘇州大學,2014.

[4] 黃天辰,賈嵩,余建華,等.高精度數控直流恒流源的設計與實現[J].儀表技術與傳感器,2013(6):27-29.

[5] Microchip.dsPIC33EP256GM604 datasheet PDF[EB/OL].[2018-03].http://www.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/7000.

[6] 徐雨冰.基于51單片機的數控可調直流穩壓電源設計[J].黑龍江科技信息,2016(27):127-129.