基于STM32的隔離集成式多路電壓監(jiān)測設(shè)計

　　張旭旭1,2，尹達(dá)一1

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

       摘要：隨著航天遙感器的工作狀態(tài)監(jiān)測要求越來越高，對系統(tǒng)的多電壓監(jiān)測日益重要。設(shè)計了一種隔離集成式監(jiān)測系統(tǒng)，考慮到航天遙感器對體積重量的要求，對硬件進(jìn)行了小型化設(shè)計。詳細(xì)介紹了其系統(tǒng)組成、主要功能、硬件設(shè)計、固件設(shè)計與上位機(jī)設(shè)計。經(jīng)過測試，證明該設(shè)計能夠?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)測提供了一種可行的集成小型化方案選擇。

　　關(guān)鍵詞：多路電壓監(jiān)測；隔離；MAX14921；USB HID

0引言

　　隨著我國嫦娥探月衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、風(fēng)云衛(wèi)星等的成功發(fā)射，對航天遙感器的工作狀態(tài)的監(jiān)測要求越來越高。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)測數(shù)據(jù)分析的故障監(jiān)測與健康管理技術(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］。如何對航天遙感器工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，特別是工作電壓的監(jiān)測，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越復(fù)雜，需要監(jiān)測的電壓也隨之增加；航天遙感器空間有限，對監(jiān)測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)測方案的設(shè)計既要滿足當(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，很多國外公司針對電壓監(jiān)測都提供了相應(yīng)的解決方案。

　　MAX14921芯片是Maxim公司針對電壓監(jiān)測提供的一種解決方案。MAX14921電壓測量模擬前端(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，簡化外部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12位ADC、1個精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)。每個LTC6803能夠在輸入共模電壓高達(dá)60 V的情況下測量多達(dá)l2個串接電壓，可用13 ms完成一個系統(tǒng)中所有電壓的測量，最大總測量誤差為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)測方式。本文以Maxim公司的MAX14921進(jìn)行了方案設(shè)計并進(jìn)行了驗證。

　　1.2集成化設(shè)計

　　電壓監(jiān)測系統(tǒng)基于STM32F101設(shè)計，利用其豐富的外設(shè)接口，可以通過LED或者上位機(jī)對多路電壓進(jìn)行監(jiān)測。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。

　　MAX14921的引腳VC16～VC0以串聯(lián)的方式連接各路電壓，整個串聯(lián)電路總電壓不超過65 V，且VP引腳必須連接串聯(lián)電壓的VC16，否則MAX14921無法正常檢測電壓值。MAX14921與STM32F101之間通過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芯片有多種類型可供選擇，可根據(jù)監(jiān)測電壓的范圍進(jìn)行選取，常見的如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。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)時顯示監(jiān)測電壓值，系統(tǒng)選取0.96英寸的OLED對電壓進(jìn)行顯示，OLED通過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)測電壓和信號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通信必須通過電平轉(zhuǎn)換。為此，在電平轉(zhuǎn)換這一級將模擬地與數(shù)字地進(jìn)行嚴(yán)格分割。通過這種方式，能有效地抑制電源噪聲對被監(jiān)測電壓的影響，提高檢測精度。

2軟件設(shè)計

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

　　2.1固件設(shè)計

　　固件采用ST公司為STM32系列提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫與USB HID庫進(jìn)行開發(fā)。利用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)定時器、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SPI接口對MAX14921進(jìn)行配置，以及讀取MAX11163的數(shù)字電壓值。啟動采集的流程為：

　　(1)使能SAMPL，設(shè)置采樣計數(shù)器（最少保證4 ms的采樣時間）；

　　(2)采樣計數(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CNVST拉低，啟動ADC轉(zhuǎn)換；

　　(2)等待轉(zhuǎn)換完成(最少保證3 μs的轉(zhuǎn)換時間，否則轉(zhuǎn)換無效)；

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

　　此外，MAX14921還支持寄生誤差電壓的讀取、開路檢測等功能，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，主要包含初始化、對主機(jī)請求的響應(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、時鐘配置、中斷配置等。對主機(jī)的請求包括響應(yīng)主機(jī)要求的設(shè)備描述符、配置描述符、報告描述符、產(chǎn)品描述符、序列號等。而與主機(jī)之間的通信則由中斷響應(yīng)來完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　固件程序的整體流程圖如圖2。

　　2.2上位機(jī)軟件設(shè)計

　　基于USB HID協(xié)議的上位機(jī)軟件在VC2010環(huán)境下開發(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)議的開發(fā)，利用微軟公司DDK開發(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試驗結(jié)果及分析

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

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

4結(jié)束語

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

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