許 林， 王 俊， 岳 東， 王 悅， 鄭 蔚

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院 ，四川 綿陽 621000）

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，恒流電子負(fù)載具有廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動化、機(jī)器人、智能儀表以及眾多數(shù)字控制電路中應(yīng)用恒定電流器件，因此研究和開發(fā)恒流電子負(fù)載具有十分重要的現(xiàn)實意義。為得到一個高精度、穩(wěn)定的恒流電子負(fù)載，采用運(yùn)算放大器搭建V/I轉(zhuǎn)換電路，通過PID算法，當(dāng)負(fù)載兩端的電壓發(fā)生變化時，及時調(diào)節(jié)控制電路的輸出電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電流的目的。把運(yùn)放的正、反相輸入端與輸出端采用負(fù)反饋電路[1]，調(diào)節(jié)輸出電流與理論值相同，從而大大提高了輸出電流的精度。由于運(yùn)放同相輸入端的信號來自數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊[2]的輸出，保證了恒流電子負(fù)載的準(zhǔn)確度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為核心，包括了液晶顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電壓檢測模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、電流檢測模塊、V/I轉(zhuǎn)化恒流電路等。系統(tǒng)工作時，首先判斷電路是否開路設(shè)置，以控制電路的通斷；電流檢測模塊測量電路中的電流值；通過PID算法控制V/I恒流電路，使得負(fù)載中保持恒定電流。系統(tǒng)框圖[3]如圖1所示。

2 理論分析與計算

2.1 恒流電路分析

作為該系統(tǒng)的主要電路，V/I轉(zhuǎn)換恒流控制電路采用運(yùn)算放大器與N溝道增強(qiáng)型CMOS管搭建，并使用阻值為50 mΩ的大功率精密電阻R7作為電流測量負(fù)載[4]，恒流控制電路[5]如圖2所示。根據(jù)虛短、虛斷的概念可得如下關(guān)系式：

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

并且使 R4=R2=100 kΩ，R1=R5=2 kΩ。

由（1）、（2）公式可以推導(dǎo)出：V1-V2=Vin*（R5/R4）。

所以輸出的電流由Vin控制，代入數(shù)據(jù)關(guān)系得輸出電流I=Vin/（50*R7）。

該電路通過電流檢測[6]（使用MAX4173T作為主要電流檢測器件）、A/D轉(zhuǎn)化測量R7上的電流值，從而得到通過負(fù)載的電流值。使用反饋調(diào)節(jié)，將測得的電流值與設(shè)定的電流值進(jìn)行比較，利用MCU進(jìn)行PID算法調(diào)節(jié)、D/A轉(zhuǎn)化控制運(yùn)算放大器U6的輸入，改變運(yùn)算放大器U6的輸出值。改變場效應(yīng)管Q1的Vgs，讓負(fù)載電流達(dá)到設(shè)定的期望值。采用閉環(huán)PID算法調(diào)節(jié)具有快速、準(zhǔn)確的特點，并使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。

圖2 恒流控制電路Fig.2 Constant current control circuit

2.2 電壓、電流測量及精度分析

為使負(fù)載電流精度為±1%，電流分辨率為10 mA，負(fù)載工作電流范圍為100~1 000 mA。設(shè)計中選用TI公司生產(chǎn)的16位DAC8550作為D/A轉(zhuǎn)換芯片，5 V電源作為參考時，則它的輸出范圍是0~5 V。由上述公式I=Vin/（50*R7），可以知道當(dāng)選擇D/A輸出作為運(yùn)放輸入Vin時，得到的負(fù)載電流范圍是0~2 A，符合設(shè)計的精度要求。

要求電壓測量分辨率為1 mV。那么所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片精度應(yīng)該大于5/0.001=5 000（即應(yīng)采用高于13位精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片），所以本設(shè)計中選用TI公司生產(chǎn)的16位ADS1115作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，它具有高速，高精度，低功耗等特點。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與軟件設(shè)計

3.1 電源模塊

由于外部電源為12 V直流電源，系統(tǒng)中各模塊需要用到5 V和3.3 V電源模塊。選用LM2576作為5 V穩(wěn)壓器件，LM2576可以提供開關(guān)穩(wěn)壓器件的各種功能，如工作效率高，輸出電流大，輸出電壓穩(wěn)定等。選用AMS1117作為3.3 V穩(wěn)壓器件，它具有低壓差、高精度等特點，可以為MCU等提供穩(wěn)定的電源。 5 V穩(wěn)壓電路原理圖如圖3所示，3.3 V穩(wěn)壓電路原理圖如圖4所示。

圖3 5V穩(wěn)壓電路原理圖Fig.3 Schematic of 5V regulator circuit

圖4 3.3V穩(wěn)壓電路原理圖Fig.4 Schematic of 3.3V regulator circuit

3.2 電流、電壓檢測模塊

選用MAX4173作為電流檢測芯片，按照如圖5所示搭建電路，其中使用5 V的電源供電，并且在接入電源的正負(fù)端并聯(lián)兩個不同大小的電容，對接入的電源起到濾波作用，降低電源的噪聲。第4、5腳分別為被測電阻（圖2中的R7）的正、負(fù)端，第6腳輸出與被測電流成正比關(guān)系的電壓信號，其關(guān)系式為：Vout=Gain*R*I。

電壓檢測采用電阻分壓的方式，在接入電源的2端串聯(lián)兩個電阻，其阻值分別為180 kΩ、20 kΩ，并分別在2個電阻旁并聯(lián)2個0.1 μF的電容，起到濾波作用，使分壓后的電壓在可測范圍內(nèi)。然后把電阻分得的直流電壓經(jīng)過一個用運(yùn)算放大器搭建的電壓跟隨器，送往A/D采樣端口，經(jīng)過計算即可得到直流負(fù)載電源的電壓值。電路圖如圖6所示。

圖5 電流檢測模塊電路Fig.5 Current detection module circuit

圖6 電壓檢測模塊電路Fig.6 Voltage detection module circuit

3.3 A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用TI公司生產(chǎn)具有內(nèi)部基準(zhǔn)的超小型、低功耗、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115。ADS1115能夠以高達(dá)每秒860個采樣數(shù)據(jù)的速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作，具有一個內(nèi)部可編程增益放大器（PGA），該 PGA可提供從電源電壓到低壓至±256 mV的輸入范圍，因而能夠以高分辨率來衡量大信號和小信號，提高檢測精度和范圍。ADS1115還具有一個輸入多路復(fù)用器（MUX），可提供2個差分輸入或4個單端輸入。ADS1115可工作于連續(xù)轉(zhuǎn)換模式或單觸發(fā)模式，后者在一個轉(zhuǎn)換完成之后將自動斷電，從而極大地降低了空閑狀態(tài)下的電流消耗。搭建電路圖如圖7所示。圖中OUT0是電流檢測的輸入端口，OUT1是電壓檢測的輸入端口。

D/A轉(zhuǎn)換[7]芯片選用TI公司生產(chǎn)的D/A轉(zhuǎn)換器DAC8550，DAC8550是一個小型低功耗、電壓輸出、16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。它是單調(diào)的，具有良好的線性關(guān)系。DAC8550采用多功能，3線串行接口，工作時鐘速率可高達(dá)30 MHz。搭建電路如圖 8所示，圖中3、4引腳為D/A轉(zhuǎn)換后的模擬電壓輸出，用于恒流電路的輸入控制。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.7 The A/D converter circuit

圖8 D/A轉(zhuǎn)換電路Fig.8 The D/A converter circuit

3.4 顯示模塊

顯示模塊采用龍丘公司生產(chǎn)的MiniLCD12864小液晶模塊，用于顯示系統(tǒng)所設(shè)置的相關(guān)參數(shù)和系統(tǒng)工作時的時事參數(shù)，便于更好的了解系統(tǒng)的工作情況。此塊液晶體積小，顯示明亮，通過對字符的編碼可以最多能顯示4行，每行顯示9個漢字，也能顯示8行ASC碼，每行21個字符，具有很大的顯示功效。該12864采用的是3.3 V電源供電，所需要的電流極小，具有低功耗的特點，而且它采用了串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，大大?jié)約了單片機(jī)的IO使用端口，從而減少了我們的設(shè)計成本。

3.5 程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)作為核心控制器件，軟件流程圖如圖9所示[8]。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.9 Flow chart of the software design

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)設(shè)計的是以MSP430F149單片機(jī)為控制核心的直流電子負(fù)載設(shè)計，通過軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)。硬件由V/I轉(zhuǎn)換恒流控制電路，軟件通過PID算法調(diào)節(jié)，能夠在電子負(fù)載兩端電壓變化的情況下，流過電子負(fù)載的電流為一個設(shè)定的恒定值。負(fù)載電流精度高，可調(diào)性好，并且能夠在液晶上實時顯示出系統(tǒng)參數(shù)信息，幫助實現(xiàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)與整定。經(jīng)測定表明，該系統(tǒng)可以用于各種恒流電路中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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