基于LTC2945的電壓、電流監測及保護系統的設計

楊 偉

（山西大眾電子信息產業集團有限公司， 山西 太原 030000）

引言

隨著當今電子產品設計復雜程度的不斷提升，管理電路中的電壓、電流變得更加重要。從工業應用到家用智能設備，精確的電壓和電流監測對于節能及可靠性保證至關重要[1]。LTC2945是一款可適應多種應用的通用板級電源監視器，可精確測量電流、電壓和功率。本文采用基于Cortex-M3內核的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，當所測量值大于基準值時，STM32通過控制保護電路達到電源的通斷控制目的。

1 系統概述

1.1 系統設計方案

本文選用凌特公司推出的12位高精度電流、電壓及功率監測器LTC2945作為測量芯片。LTC2945是一款軌至軌系統監視器，測量范圍0～80 V，測量精度高達25 mV（102.4 V滿量程），數據刷新率為7.5 Hz；LTC2945包含一個I2C接口去讀取內置數據/控制寄存器中的值。兩個三態引腳ADR1和ADR0組成9種編碼地址，達到一臺主機可以同時控制9臺從機設備的目的；LTC2945的SDA引腳分離出SDAI（輸入）和SDAO（輸出）避免輸入輸出數據間干擾；由于其內部使用的是I2C總線接口，使其很容易與主控設備組成電壓、電流測試系統。本系統采用市面上主流的ARM芯片STM32F103ZET6作為主控MCU，其內核采用ARM架構，具有豐富的片上邏輯資源及外部IO接口資源，位寬高達32位，集成512Mbyts的FLASH內部存儲器及64Kbyts的內部RAM塊，以其工作穩定、資源豐富的優點被廣泛應用于工控領域[2]。該系統最大的特點是編程語言采用靈活的C語言，結構清晰、易于開發、執行效率高，且代碼穩定、可移植性強，可在復雜環境下穩定工作。可變基準電壓、電流輸入模塊借鑒LTC2945芯片工作原理，采用10個撥碼開關分別與STM32主芯片的10個IO引腳連接，當選擇電壓檔位時，程序執行讀取電壓操作，由于LTC2945最大電壓可測量80 V，本設計最大基準電壓也設為80 V，將其分成1 024等份，0～80 V電壓可以用10個撥碼開關組合表示，精度高達78.125 mV。通過撥碼開關狀態量設定當前過壓值，使其與LTC2945測量值做比較，當測量值大于設定值時，MCU主芯片通過控制引腳通告控制保護電路模塊使其切斷電源，達到保護電路的目的。當選擇電流檔位時，程序執行讀取電流操作，由于LTC2945最大電流可測量5.12 A，本設計最大基準電壓也設為5.12 A，將其分成1024等份，0～5.12 A電流值可以用10個撥碼開關組合表示，精度高達5 mA。通過撥碼開關狀態量設定當前過流值，使其與LTC2945測量電流值做比較，當測量值大于設定過流量時，MCU主芯片通過控制引腳通告控制保護電路模塊使其切斷電源，達到保護電路的目的。

1.2 系統工作原理

系統采用采用ARM最先進架構的基于Cortex-M3內核的處理器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，該芯片內置一個12位分辨率的模數轉換器，可精確讀取被測電壓、電流值；STM32實時監測讀取LTC2945片上電壓及電流值，當所測量值大于基準值時，STM32通過控制保護電路達到電源的通斷控制目的。

STM32F103ZET6主頻可達72 MHz，內存FLASH高達512 kB，SRAM高達64 kB，2個I2C總線接口，支持 FSMC（flexible static memory controller）靜態存儲控制器，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讀寫操作，也可使其便于驅動可觸控液晶屏。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測電壓、電流值。系統方框圖如圖1所示。

圖1 系統方框圖

整個系統由主控MCU、可變基準輸入模塊、LTC2945監測模塊、輸入電源、電路保護控制模塊和告警顯示模塊組成。

主控MUC是整個系統的核心心臟，LTC2945監測輸入的電壓、電流值，當監測值大于預設的基準值時，MCU將通過電路保護控制模塊起到電路保護的功能，并通過液晶屏直觀地顯示出被測電壓、電流值。

2 系統功能模塊及程序設計

2.1 硬件功能模塊設計

圖2為LTC2945控制電路圖，STM與LTC2945之間采用I2C協議通信，LTC2945采用獨立的輸入、輸出數據傳輸，有效地避免了輸入、輸出數據的碼間串擾；電路中采用光耦MOCD207M實現輸入、輸出數據的隔離；LTC2945將電壓轉換為數字量后通過SDAO數據線串行傳送到STM32 I2C總線上。

圖2 LTC2945控制電路圖

圖3 系統工作流程圖

2.2 系統控制程序設計

使用Keil-MDK開發環境對控制系統進行了編碼。當系統上電后，各系統參數初始圖2LTC2945控制電路圖化完成，主機通過I2C總線識別到從機地址，與從機握手成功后，從機回應主機ACK信號，隨后主機判斷從機是否讀取的為電壓值，如果是則與基準電壓做比較，如果超過基準閾值，則主機開啟電路保護模塊切斷電源，并產生告警提醒。同理，電流值也會輪詢被監控。其工作流程圖如圖3所示。

2.3 測試結果及性能分析

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

圖4 液晶屏實測結果圖

3 結語

本文給出了一種有效的監測電壓、電流及其過壓、過流保護的電路設計方案，實驗結果表明其測試結果精確、可靠，可廣泛應用于工控系統中。