歐陽海賓，萬鋼勇，武和雷，廖博倫，3

（1.南昌大學(xué)，南昌330031；2.國網(wǎng)江西省電力公司信息通信分公司，南昌330077；3.全志科技股份有限公司，廣州300458）

0 引 言

直流電流源被廣泛應(yīng)用于各種高精度測量、檢驗、校準(zhǔn)的場合，如工礦企業(yè)、科研、國防、軍工等計量儀表、自動化標(biāo)定設(shè)備中［1］。研究滿足精度要求且性價比高的電流源，具有較高的實用價值和應(yīng)用前景。在國內(nèi)市場，有很多種直流電源，但普遍存在輸出功率小，電流輸出范圍窄，穩(wěn)定度低，準(zhǔn)確度低，分辨率低，操作不夠智能等問題。而進(jìn)口的高精度電流源，價格非常昂貴，一般用戶難以承受。針對上述問題，設(shè)計了一種高精度程控直流電流源，基本解決了上述問題。該電流源滿足以下技術(shù)指標(biāo)要求：輸出功率0W ～30W，輸出電流范圍0 A～30 A，穩(wěn)定度0.003%RG/min，準(zhǔn)確度0.002%RG，分辨率2 μA，調(diào)節(jié)細(xì)度0.002%RG，紋波不大于0.1 mA，設(shè)計成本較低。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該電源分別設(shè)計了直流穩(wěn)壓擴(kuò)流電路結(jié)合達(dá)林頓放大電路以及功率放大電路實現(xiàn)大功率輸出，設(shè)計量程切換電路使電流輸出范圍大，應(yīng)用四階巴特沃斯低通濾波電路和比例積分電路以及模糊控制器解決穩(wěn)定度低的問題［2］，采用16位的LTC1595BCN8高精度DA芯片和24位的ADS1240高精度AD芯片提高輸出準(zhǔn)確度和分辨率，采用Linux工業(yè)平板電腦，在Linux工業(yè)平板電腦運行Qt用戶界面應(yīng)用程序，通過TCP/IP協(xié)議與STM32F103微控制器通訊，控制直流電流源系統(tǒng)的電流輸出和校正，解決操作不夠智能的問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流電流源系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of DC current source

系統(tǒng)工作原理：雙閉環(huán)相比于單閉環(huán)具有更好的控制調(diào)節(jié)能力［3］。內(nèi)環(huán)由PI控制器，濾波電路，達(dá)林頓放大電路，功放電路，量程切換電路構(gòu)成電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，在控制中充當(dāng)內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)的作用。外環(huán)由模糊控制器，DA輸出電路，AD采樣電路共同構(gòu)成模糊控制電路，在控制過程中充當(dāng)外環(huán)調(diào)節(jié)的作用［4］。用戶通過TCP/IP協(xié)議給直流電流源設(shè)定輸出電流值，通過AD采樣得到采樣電阻Rf兩端的電壓值UR計算出實際輸出電流值并和給定電流值進(jìn)行比較，得到輸出電流的誤差和誤差變化率來調(diào)用模糊控制表的參數(shù)，得到DA輸出端的數(shù)字變化量用于修正DA輸出值來穩(wěn)定輸出電流值。當(dāng)負(fù)載變化干擾進(jìn)入內(nèi)環(huán)時，內(nèi)環(huán)的PI控制器對干擾進(jìn)行持續(xù)的衰減和抑制，外環(huán)微控制器通過AD采樣得采樣電阻Rf兩端的電壓值UR，得到系統(tǒng)輸出電流Io［5］：

然后與設(shè)定的電流值相比較，通過模糊控制算法子程序得到DA輸出的修正量對DA的輸出值進(jìn)行微調(diào)使輸出電流穩(wěn)定。當(dāng)設(shè)定電流值變化時，模糊控制器和PI控制器能夠快速響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出抑制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出超調(diào)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 直流穩(wěn)壓擴(kuò)流電路設(shè)計

圖1所示，直流電流源要求最大輸出電流為30 A，而三端直流穩(wěn)壓芯片LM7805典型穩(wěn)壓電路接法最大的輸出電流只有1 A，而且也不能長時間的工作在大電流輸出狀態(tài)，所以設(shè)計了如圖2所示的擴(kuò)流電路來增大輸出電流。采用外接三極管擴(kuò)流，即在三端穩(wěn)壓芯片兩端并聯(lián)6個PNP大功率三極管。當(dāng)負(fù)載電流增大時，電阻R7兩端的電壓開始逐漸增大，三極管Q1～Q6開始導(dǎo)通分流，這里每個大功率三極管最大流經(jīng)電流為5 A，所以最大擴(kuò)流5 A×6=30 A。

2.2 以太網(wǎng)通信電路

如圖3所示，以太網(wǎng)通信控制器芯片采用ENC28J60，ENC28J60支持全雙工和半雙工的工作模式，擁有8 KB的SDRAM內(nèi)存，內(nèi)部集成了快速數(shù)據(jù)傳輸DMA，兩個網(wǎng)傳輸狀態(tài)LED接口，外接25 MHz時鐘源，自帶SPI接口可以和STM32F103的SPI接口對接實現(xiàn)通信。STM32F103的 SPI接口 MOSI、MISO、SCK引腳分別接到 ENC28J60的 SI、SO、SCK引腳上，ENC28J60的INT引腳接到STM32F103的PB0作為外部中斷，當(dāng)有數(shù)據(jù)包傳輸STM32F103則進(jìn)入中斷進(jìn)行處理。在Linux工業(yè)平板電腦運行Qt用戶界面應(yīng)用程序作為TCP客戶端，STM32F103微控制器作為TCP服務(wù)器端，客戶端通過約定的通信指令協(xié)議和服務(wù)器端之間通信，控制直流電流源系統(tǒng)的電流輸出，切換檔位和校正。

圖2 直流穩(wěn)壓擴(kuò)流電路圖Fig.2 DC current amplification circuit diagram

圖3 以太網(wǎng)通信電路圖Fig.3 Ethernet communication circuit diagram

2.3 過壓過流保護(hù)電路

電源系統(tǒng)設(shè)計中一般都要加入輸出保護(hù)，本設(shè)計中采用窗值比較器作為保護(hù)電路。窗值比較器具有門限電壓可調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)的特點，廣泛用于各種保護(hù)電路中。如圖4所示。

圖4 過壓保護(hù)電路圖Fig.4 Over voltage protection circuit diagram

VPRO是來自達(dá)林頓電路前端的電壓信號，通過R1，R2，R3分壓得到窗值比較器的輸入電壓，窗值比較器的門限電壓由R4，R5分壓得到。當(dāng)Ui＜U1時，U1A輸出高電平，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓Uout為高電平，電壓信號VPRO被拉低。當(dāng)Ui＞U2時，U2A輸出高電平，二極管D2導(dǎo)通，D1截止，輸出電壓Uout為高電平，電壓信號VPRO被拉低。當(dāng)U2＜Ui＜U1時，U1A，U2A輸出低電平，二極管D1，D2截止，輸出電壓Uout為低電平，電壓信號VPRO不變。在達(dá)林頓放大電路的前端加上窗值過壓保護(hù)電路。當(dāng)負(fù)載斷路會導(dǎo)致系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)負(fù)反饋號為零，PI控制器會飽和輸出，達(dá)林頓放大電路前端的電壓信號VPRO會達(dá)到最大值，系統(tǒng)此時空載工作。當(dāng)負(fù)載短路時，導(dǎo)致電壓信號VPRO瞬時變大，電源系統(tǒng)的所有輸出功率都消耗在功率三極管兩端，會導(dǎo)致功率三極管溫度迅速升高，時間久了還可能燒毀功率三極管。所以在達(dá)林頓放大電路的前端加上過壓保護(hù)電路。當(dāng)達(dá)林頓放大電路前端信號VPRO過大時，窗值過壓保護(hù)電路會把達(dá)林頓放大電路的前端電壓信號VPRO拉低，使輸出為零，并且STM32F103也可以獲得這個電平的變化通知客戶端Qt用戶界面應(yīng)用程序進(jìn)行輸出保護(hù)，將外環(huán)的DA設(shè)定值清零，實現(xiàn)軟件硬件同時保護(hù)。

2.4 內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)和V/I轉(zhuǎn)換電路

內(nèi)環(huán)PI電路在控制系統(tǒng)中常用來提高調(diào)節(jié)精度。如圖5所示。

圖5 內(nèi)環(huán)模擬電路圖Fig.5 Inner loop analog circuit diagram

內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器電路采用四階巴特沃斯低通濾波電路和比例積分電路構(gòu)成電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。V/I轉(zhuǎn)換電路是將輸入電壓線性轉(zhuǎn)換為輸出電流的電路，并且輸出電流僅取決于輸入電壓，由于采用了直流穩(wěn)壓擴(kuò)流電路作為V/I轉(zhuǎn)換電路的供電模塊，所以整個轉(zhuǎn)換電路可以線性提供30 A的電流負(fù)載能力，達(dá)林頓放大電路以及功率三極管可以提供30W的輸出功率。

V/I轉(zhuǎn)換原理：假設(shè)流過負(fù)載RL的電流值為Io，則流過Rf反饋采樣電阻的電流值也是Io，則反饋電壓。

經(jīng)過差分電路，反相放大電路和電壓跟隨器后得到負(fù)反饋電壓［6］：

再由分壓定理，得：

且初始狀態(tài)U1=0 V。

整理得到輸出電流：

由式（5）可知當(dāng)電阻 R14，R18，R1，R15，Rf阻值一定時，輸出電流Io只和輸入電壓Ui成正比例線性關(guān)系而和采樣電阻Rf成反比例線性關(guān)系，與負(fù)載RL的大小無關(guān)［7］。其中Ui是DA輸出電壓，范圍在0 V～1.25 V（DA參考電壓值）之間，所以這里當(dāng)輸入電壓Ui一定時可以通過量程切換電路改變采樣電阻Rf阻值的大小來改變輸出電流的大小從而達(dá)到電流量程切換的目的，當(dāng)Rf一定時，可通過改變Ui值來改變輸出電流值。

2.5 DA輸出電路

DA輸出電路圖如圖6所示。

圖6 DA輸出電路圖Fig.6 DA output circuit diagram

雙閉環(huán)系統(tǒng)的外環(huán)數(shù)字控制電路主要由STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)和AD/DA數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成，其中DA芯片采用16位的LTC1595BCN8［8］。系統(tǒng)的電流輸出穩(wěn)定度，幅值調(diào)節(jié)前提取決于DA輸出的直流信號的穩(wěn)定度［9］。設(shè)計指標(biāo)要達(dá)到調(diào)節(jié)細(xì)度0.002%*RG，即DA值改變一個二進(jìn)制位時對應(yīng)的DA輸出電壓值變化為0.000 02 V，如果參考電壓取-1.25 V時，LTC1595BCN8的分辨率是：

則DA輸入值二進(jìn)制變化一位時DA輸出電壓值變化0.019 1 mV，達(dá)到調(diào)節(jié)細(xì)度0.002%*RG。當(dāng)客戶端Qt用戶界面應(yīng)用程序設(shè)定輸出電流值時，STM32F103會根據(jù)校準(zhǔn)好的電流輸出值和DA設(shè)定值之間的比例系數(shù)算出理論上DA的設(shè)定值，將DA設(shè)定值發(fā)送給LTC1595BCN8輸出電壓Ui，作用于內(nèi)環(huán)的輸入端信號。

2.6 AD采樣電路

圖7 AD采樣電路圖Fig.7 AD sampling circuit diagram

AD采樣電路如圖7所示。AD芯片選用24位的ADS1240，ADS1240是具有寬動態(tài)特性的Δ-∑型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，高達(dá)24位的無丟碼特性和21位有效分辨率。根據(jù)被采樣信號的電壓范圍，ADS1240選用2.5 V作為參考電壓，對ADS1240初始化設(shè)置時，設(shè)置采樣通道為AIN1、單極性模擬輸入、每秒進(jìn)行15次采樣轉(zhuǎn)換，可編程FIR濾波器在50 Hz處陷波等參數(shù)。這里將Rf反饋采樣電阻兩端的電壓值疊加上1 V的基準(zhǔn)電壓值送到AD采樣通道使AD采樣線性度更加理想。在軟件上采用滑動中位值平均濾波算法，使采樣的結(jié)果更加穩(wěn)定，實測AD采樣電壓達(dá)到0.01 mV的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，滿足電源系統(tǒng)分辨率2μA和調(diào)節(jié)細(xì)度0.002%RG的設(shè)計要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 服務(wù)器端主程序的軟件設(shè)計

服務(wù)端主程序如圖8所示。STM32微控制器服務(wù)端主程序主要對AD，DA，SPI中斷通信和TCP/IP通信協(xié)議初始化，從flash里讀入模糊控制查詢表，并且從flash里讀出校正系數(shù)到內(nèi)存中的變量，然后進(jìn)入一個死循環(huán)，不斷進(jìn)行AD采樣得到采樣電阻Rf兩端的電壓，根據(jù)校準(zhǔn)系數(shù)算出此時實際輸出電流值，由輸出電流的誤差和誤差變化率來調(diào)用模糊控制表的參數(shù)，得到DA輸出端的數(shù)字變化量用于修正DA輸出值來穩(wěn)定輸出電流值。

3.2 服務(wù)器端模糊控制器的軟件設(shè)計

圖8 服務(wù)端主程序圖Fig.8 Server main program diagram

圖9 模糊控制器仿真圖Fig.9 Fuzzy controller simulation diagram

通過Matlab/Simulink軟件對雙閉環(huán)直流電流源控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究，得到適用于工程項目的模糊控制策略表如圖9（a）所示。圖9（b）是不加模糊控制器的電流輸出階躍響應(yīng)，圖9（c）是加了模糊控制器的電流輸出階躍響應(yīng)，圖9（d）是電流輸出偏差和電流輸出正好相反，電流輸出偏差最終趨于0。由仿真分析得知，在增加了模糊控制則后，系統(tǒng)的動態(tài)特性得到較大改善，不但具有較短的響應(yīng)時間，而且超調(diào)量也很小。其模糊控制矩陣存為磁盤文件adjust.fis用于STM32微控制器調(diào)用模糊控制表的參數(shù)。

3.3 服務(wù)器中斷子程序的軟件設(shè)計

服務(wù)器端中斷子程序如圖10所示。

圖10 服務(wù)器端中斷子程序圖Fig.10 Server interrupt subroutine diagram

當(dāng)客戶端Qt用戶界面應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令時，微控制器會產(chǎn)生一個SPI中斷，根據(jù)不同的指令進(jìn)行不同的操作。服務(wù)端中斷子程序主要負(fù)責(zé)電流源系統(tǒng)的校準(zhǔn)，電流檔位切換和設(shè)定輸出電流值。

校準(zhǔn)原理：校準(zhǔn)其實就是用來確定輸入值（DA設(shè)定值）和輸出值（系統(tǒng)輸出電流值）之間的關(guān)系［10］，也就是為了確定兩組關(guān)系。這里選擇一個檔位進(jìn)行校準(zhǔn)，由于每一個檔位的Rf阻值不同，校準(zhǔn)系數(shù)也不同，下面以100 mA檔位為例。

其中k_DAtoV_100 mA，b_DAtoV_100 mA是DA設(shè)定值和AD采樣電壓之間的比例關(guān)系，k_AtoV_100mA，b_AtoV_100mA是電流輸出值和AD采樣電壓之間的比例關(guān)系，校準(zhǔn)過程：服務(wù)器端設(shè)定DA輸出50%點da_set50，AD采樣得到一個電壓值fv1，并獲取客戶端發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)電流值ni1，服務(wù)器端再設(shè)定DA輸出100%點da_set100，AD采樣得到一個電壓值fv2，并獲取客戶端發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)電流值ni2，根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)計算出校準(zhǔn)系數(shù)。

系統(tǒng)校準(zhǔn)完成后，當(dāng)設(shè)定輸出電流值Io時，我們可以由式（8）算出理論上應(yīng)該在采樣電阻Rf兩端采到的電壓值：

再把Uf帶入式（7）算出理論上應(yīng)該設(shè)定的DA設(shè)定值，設(shè)定DA值就可以輸出電流Io。之所以不直接用一組比例系數(shù)DA設(shè)定值和輸出電流值之間的比例關(guān)系，而要加入一個中間變量AD采樣電壓值，是因為中間變量AD采樣電壓值是模糊控制調(diào)節(jié)輸出電流時的依據(jù)，如果沒有AD采樣電壓值和輸出電流值之間的關(guān)系就不知道電源是否輸出了Io，也就沒有了電流輸出調(diào)節(jié)的依據(jù)了。

3.4 客戶端Qt用戶界面程序的軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)配置界面如圖11所示。

圖11 網(wǎng)絡(luò)配置界面圖Fig.11 Network configuration interface diagram

系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)配置界面，IP地址和端口輸入框都采用正則表達(dá)式作為輸入驗證器，避免非IP地址的字符串輸入。當(dāng)連接上服務(wù)器后下面的狀態(tài)欄會顯示綠色圖標(biāo)，當(dāng)服務(wù)器意外斷開連接，客戶端會收到通知并且狀態(tài)欄會變成紅色閃爍圖標(biāo)，提示用戶網(wǎng)絡(luò)連接故障。

通過菜單欄切換到校準(zhǔn)界面，選擇不同的檔位進(jìn)行校準(zhǔn)。由式（5）可知本電流源是一個線性系統(tǒng)所以只要校準(zhǔn)兩個點，分別輸入50%校準(zhǔn)點和100%校準(zhǔn)點6位半標(biāo)準(zhǔn)表的電流值進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)好的系數(shù)寫入服務(wù)器端的flash里面保存。校準(zhǔn)界面如圖12所示。

圖12 校準(zhǔn)界面圖Fig.12 Calibration interface diagram

通過菜單欄切換到電流輸出界面，如圖13所示。同樣這里的輸出值框也采用了正則表達(dá)式，避免正浮點數(shù)以外的其他字符串的意外輸入。并且加入了自動換擋功能，用戶只需輸入要輸出的電流值，程序就會自動判斷，在1 mA，10 mA，100mA，1 A，5 A，30 A檔位之間切換檔位，例如當(dāng)在1 mA檔位下里輸入1 000則會自動切換到1 A檔位。當(dāng)負(fù)載短路或斷路時電流輸出狀態(tài)圖標(biāo)會變成紅色閃爍圖標(biāo)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)阻止用戶的輸入直到保護(hù)狀態(tài)的解除。

圖13 電流輸出界面圖Fig.13 Current output interface diagram

4 測試結(jié)果及分析

由于系統(tǒng)的輸出電流精度很高，普通的萬用表不能作為其測試工具，所以采用Fluke六位半高精度數(shù)字多用表進(jìn)行測試。圖14中，在IOUT_H和IOUT_L電源輸出兩端子分別接上高精度負(fù)載電阻和Fluke六位半高精度數(shù)字多用表，用測得的電壓值除以負(fù)載電阻就是輸出電流。

圖14 系統(tǒng)測試圖Fig.14 System test diagram

穩(wěn)定度測試：分別在每個電流檔位下輸出最大電流，測得實際電流輸出值在一分鐘時間內(nèi)的最大最小值，由此得出系統(tǒng)的電流輸出穩(wěn)定度。數(shù)據(jù)如表1所示，Ioset是電流輸出設(shè)定值，Iomax是系統(tǒng)在一分鐘內(nèi)實際電流輸出最大值，Iomin是系統(tǒng)在一分鐘內(nèi)實際電流輸出最小值。由表1知各個量程的穩(wěn)定度小于0.003%，滿足設(shè)計要求。

準(zhǔn)確度測試：分別在每個電流檔位下輸出最大電流，測得實際電流輸出值，由此得出系統(tǒng)的電流輸出準(zhǔn)確度和電流紋波。數(shù)據(jù)如表2所示，Ioset是電流輸出設(shè)定值，Io是系統(tǒng)實際電流輸出值。由表2知各個量程的準(zhǔn)確度小于0.002%，滿足設(shè)計要求。

表1 輸出電流穩(wěn)定度測試表Tab.1 Output current stability test table

表2 輸出電流準(zhǔn)確度測試表Tab.2 Output current accuracy test table

負(fù)載能力測試：以1 A檔位為例，設(shè)定輸出電流是1 A時，改變負(fù)載電阻的大小，測試系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。數(shù)據(jù)如表3所示，RL是系統(tǒng)外接的負(fù)載電阻，Ioset是電流輸出設(shè)定值，Io是系統(tǒng)實際電流輸出值。由表3可知系統(tǒng)的帶負(fù)載能力滿足設(shè)計要求。

表3 輸出電流穩(wěn)定度測試表Tab.3 Output load capacity test table

5 結(jié)束語

本設(shè)計以STM32F103為主控核心，在Linux工業(yè)平板電腦運行Qt用戶界面程序與用戶交互控制直流電流源系統(tǒng)的校準(zhǔn)和輸出。通過對各個硬件電路模塊和軟件模塊的測試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求：電流源系統(tǒng)的電流輸出達(dá)到了0.002%的精確度和0.003%穩(wěn)定度。文章提出的方法實現(xiàn)的電流源相比于市場上的大多數(shù)程控直流電流源具有輸出電流精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電流范圍大等優(yōu)點，可應(yīng)用于各種高精度測量、檢驗、校準(zhǔn)的場合。在后續(xù)工作中還會加入程控直流電壓源的模塊組合成直流電流電壓源系統(tǒng)。