張旭旭，尹達(dá)一

(1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

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基于STM32的隔離集成式多路電壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

張旭旭1,2，尹達(dá)一1

(1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

隨著航天遙感器的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求越來(lái)越高，對(duì)系統(tǒng)的多電壓監(jiān)測(cè)日益重要。設(shè)計(jì)了一種隔離集成式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，考慮到航天遙感器對(duì)體積重量的要求，對(duì)硬件進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了其系統(tǒng)組成、主要功能、硬件設(shè)計(jì)、固件設(shè)計(jì)與上位機(jī)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，證明該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)多路不同電壓條件下的狀態(tài)隔離，為今后航天遙感器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一種可行的集成小型化方案選擇。

多路電壓監(jiān)測(cè)；隔離；MAX14921；USB HID

0 引言

隨著我國(guó)嫦娥探月衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、風(fēng)云衛(wèi)星等的成功發(fā)射，對(duì)航天遙感器的工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)要求越來(lái)越高。以衛(wèi)星為代表的航天飛行器的功能與結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的故障監(jiān)測(cè)與健康管理技術(shù)成為保障衛(wèi)星系統(tǒng)可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)[1]。如何對(duì)航天遙感器工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別是工作電壓的監(jiān)測(cè)，成為系統(tǒng)監(jiān)控的重要依據(jù)。然而，隨著航天遙感器的功能越來(lái)越復(fù)雜，需要監(jiān)測(cè)的電壓也隨之增加；航天遙感器空間有限，對(duì)監(jiān)測(cè)電路體積和重量也有很高要求。本文根據(jù)這一需求，提出了一種針對(duì)航天遙感器的多路電壓隔離集成式實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)組成

1.1 關(guān)鍵器件選型

監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)既要滿足當(dāng)前系統(tǒng)的需要，也要能夠?qū)罄m(xù)設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。目前，很多國(guó)外公司針對(duì)電壓監(jiān)測(cè)都提供了相應(yīng)的解決方案。

MAX14921芯片是Maxim公司針對(duì)電壓監(jiān)測(cè)提供的一種解決方案。MAX14921電壓測(cè)量模擬前端(AFE)器件用于高精度采樣電壓，并提供電平轉(zhuǎn)換，可支持多達(dá)16路/+65 V(最大)的主/輔電壓組。兩款器件均同時(shí)采樣所有電壓，允許高精度確定充電狀態(tài)和源阻抗。將所有電壓以單位增益轉(zhuǎn)換成以地為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)，簡(jiǎn)化外部ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。器件具有低噪聲、低失調(diào)放大器，可緩沖高達(dá)+5 V的差分電壓，電壓誤差為±0.5 mV[2]。

LTC6803是Linear公司的電壓監(jiān)視芯片，它內(nèi)置1個(gè)12位ADC、1個(gè)精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)。每個(gè)LTC6803能夠在輸入共模電壓高達(dá)60 V的情況下測(cè)量多達(dá)l2個(gè)串接電壓，可用13 ms完成一個(gè)系統(tǒng)中所有電壓的測(cè)量，最大總測(cè)量誤差為0.25%[3-4]。

以上兩種方案均采用SPI接口進(jìn)行配置，因而理論上可以基于SPI接口進(jìn)行Daisy-Chained 形式的多級(jí)擴(kuò)展，可以擴(kuò)展到128路電壓甚至更多，是一種靈活性比較高的監(jiān)測(cè)方式。本文以Maxim公司的MAX14921進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.2 集成化設(shè)計(jì)

電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于STM32F101設(shè)計(jì)，利用其豐富的外設(shè)接口，可以通過(guò)LED或者上位機(jī)對(duì)多路電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。STM32F101芯片使用ARM先進(jìn)架構(gòu)的Cortex—M3內(nèi)核，CPU頻率可達(dá)72 MHz，支持USB接口、SPI接口、I2C接口、UART接口等[5]。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

MAX14921的引腳VC16～VC0以串聯(lián)的方式連接各路電壓，整個(gè)串聯(lián)電路總電壓不超過(guò)65 V，且VP引腳必須連接串聯(lián)電壓的VC16，否則MAX14921無(wú)法正常檢測(cè)電壓值。MAX14921與STM32F101之間通過(guò)SPI進(jìn)行通信。16路電壓按照STM32F101下發(fā)的指令，依次讀出每一路的電壓，傳遞給AD轉(zhuǎn)換單元。AD轉(zhuǎn)換芯片采用Maxim公司的MAX11163芯片，MAX11163采樣到電壓值以后，將電壓值以數(shù)字的形式通過(guò)SPI接口發(fā)送給STM32F101?；鶞?zhǔn)電壓芯片為MAX11163提供AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓，這里選用MAX6126作為基準(zhǔn)電壓源。MAX6126芯片有多種類(lèi)型可供選擇，可根據(jù)監(jiān)測(cè)電壓的范圍進(jìn)行選取，常見(jiàn)的如2.048 V和4.096 V等。STM32F101和上位機(jī)之間的通信采用USB接口，實(shí)現(xiàn)在任意PC上即插即用的監(jiān)測(cè)。由于電壓的數(shù)據(jù)量不大，采用USB HID完全滿足傳輸要求。此外，為了能實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)電壓值，系統(tǒng)選取0.96英寸的OLED對(duì)電壓進(jìn)行顯示，OLED通過(guò)I2C接口與STM32F101通信。

1.3 隔離方式

電路隔離的主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。常見(jiàn)的電路隔離主要有模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。本文采用數(shù)模隔離的方式，保證被監(jiān)測(cè)電壓和信號(hào)采集處于不同的回路。由于MAX14921和MAX11163的電平標(biāo)準(zhǔn)為5 V，而STM32F101的電平標(biāo)準(zhǔn)為3.3 V，二者進(jìn)行SPI通信必須通過(guò)電平轉(zhuǎn)換。為此，在電平轉(zhuǎn)換這一級(jí)將模擬地與數(shù)字地進(jìn)行嚴(yán)格分割。通過(guò)這種方式，能有效地抑制電源噪聲對(duì)被監(jiān)測(cè)電壓的影響，提高檢測(cè)精度。

2 軟件設(shè)計(jì)

基于ARM的嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含兩部分，下位機(jī)固件完成系統(tǒng)的接口驅(qū)動(dòng)以及與上位機(jī)之間的通信，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)PC端USB數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)與顯示功能。

2.1 固件設(shè)計(jì)

固件采用ST公司為STM32系列提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)與USB HID庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。利用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)器、中斷響應(yīng)、SPI通信、I2C通信等功能。多路電壓的采集主要包括通過(guò)SPI接口對(duì)MAX14921進(jìn)行配置，以及讀取MAX11163的數(shù)字電壓值。啟動(dòng)采集的流程為：

(1)使能SAMPL，設(shè)置采樣計(jì)數(shù)器(最少保證4 ms的采樣時(shí)間)；

(2)采樣計(jì)數(shù)完成，關(guān)閉SAMPL；

(3)等待電平轉(zhuǎn)換完成；

(4)選取需要讀取的各路電壓，發(fā)送讀取指令；

(5)等待AOUT轉(zhuǎn)換完成(最少保證10 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間)。

AOUT轉(zhuǎn)換完成以后，其電壓出現(xiàn)在MAX11163的輸入端，即可進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。讀取ADC電壓的流程為：

(1)將片選信號(hào)CNVST拉低，啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換；

(2)等待轉(zhuǎn)換完成(最少保證3 μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，否則轉(zhuǎn)換無(wú)效)；

(3)讀取MAX11163的電壓值，將片選信號(hào)CNVST拉低，停止轉(zhuǎn)換。

此外，MAX14921還支持寄生誤差電壓的讀取、開(kāi)路檢測(cè)等功能，只需要發(fā)送相應(yīng)的指令即可獲取，此處省略。

USB HID的實(shí)現(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，主要包含初始化、對(duì)主機(jī)請(qǐng)求的響應(yīng)以及二者之間的通信。初始化包括USB端口的配置、上電檢測(cè)、時(shí)鐘配置、中斷配置等。對(duì)主機(jī)的請(qǐng)求包括響應(yīng)主機(jī)要求的設(shè)備描述符、配置描述符、報(bào)告描述符、產(chǎn)品描述符、序列號(hào)等。而與主機(jī)之間的通信則由中斷響應(yīng)來(lái)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

固件程序的整體流程圖如圖2。

圖2 固件程序流程圖

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于USB HID協(xié)議的上位機(jī)軟件在VC2010環(huán)境下開(kāi)發(fā)完成。MFC程序界面負(fù)責(zé)電壓數(shù)據(jù)的獲取以及用戶指令的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)單次采集和多次采集等功能。程序的核心為USB HID協(xié)議的開(kāi)發(fā)，利用微軟公司DDK開(kāi)發(fā)包即可完成相關(guān)功能。用到的函數(shù)主要有：CreateFile 用于打開(kāi)設(shè)備； ReadFile 、 HidD_GetFeature 、 HidD_GetInputReport 用于設(shè)備到主機(jī)方向的數(shù)據(jù)通信； WriteFile 、HidD_SetFeature 、 HidD_SetOutputReport 用于主機(jī)到設(shè)備方向的數(shù)據(jù)通信。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用USB上位機(jī)軟件對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集驗(yàn)證，OLED顯示此處忽略。這里通過(guò)直流電源提供測(cè)試電壓，然后利用分壓電阻對(duì)其進(jìn)行分壓供給各個(gè)采集端。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示。

圖3 上位機(jī)顯示監(jiān)測(cè)電壓

均值/V均方差/V1.50730.0092

對(duì)圖3的單次采集結(jié)果求取均方差可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)測(cè)試通道之間的均方誤差為9.2 mV，誤差較小，證明各測(cè)量通道之間具有較好的電壓隔離。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用MAX14921設(shè)計(jì)了一種多路電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最少可以監(jiān)測(cè)16路設(shè)備電壓，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示以及通過(guò)USB傳輸給上位機(jī)。采用集成化設(shè)計(jì)，減少了其體積和重量，整個(gè)電路只有5 cm×5 cm；采用隔離式設(shè)計(jì)提高了抗干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)不同電壓的多路狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為今后航天遙感器的工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)提供了一種方案。

[1] 汪浩淼.衛(wèi)星在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[2] Maxim Integrated.MAX14920/MAX14921 High-Accuracy 12-/16-Cell Measurement AFEs[EB/OL].[2016-05-05].https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14920-MAX14921.pdf.

[3] Linear Technology.LTC6803-1/LTC6803-3 Multi cell Battery Stack Monitor[EB/OL].[2016-05-05]http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/680313fa.pdf.

[4] 聶巍,丁玉峰,余峰.基于ARM 的鋰電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù),2015,35(10): 70-73.

[5] STMicroelectronics.Medium-density access line,ARM?-based 32-bit MCU with 64 or 128 KB Flash,6 timers,ADC and 7 communication interfaces[EB/OL].(2015-06-xx)[2016-05-05].http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00161561.pdf.

Design for isolated and integrated multi channels voltage monitor based on STM32

Zhang Xuxu1,2,Yin Dayi1

(1.Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Science,Shanghai 200083,China； 2.University of Chinese Academy of Science,Beijing 100039,China)

To meet the need of survey operating state for aerospace remote sensor,multi channels voltage collection is required.An isolated and integrated acquisition system is designed.Considering the requirement of the volume and weight,the circuit system is miniaturized.Its architecture,main function,hardware design,firmware design and client service are elaborated in the paper.The test results show that it can isolate states with different voltages,offer an integrated and miniaturized method for aerospace remote sensor monitor in future.

multi channels voltage monitor; isolated; MAX14921; USB HID

TP202

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.008

張旭旭，尹達(dá)一.基于STM32的隔離集成式多路電壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(19)：28-30.

2016-06-01)

張旭旭(1985-)，男，博士研究生，主要研究方向：空間高精度穩(wěn)像控制技術(shù)。

尹達(dá)一(1976-)，男，博士，研究員，主要研究方向：空間紫外成像和光譜技術(shù)、空間光電遙感精密機(jī)械和自動(dòng)控制、空間高精度穩(wěn)像控制技術(shù)、信息獲取及處理等前沿技術(shù)。