1 硬件設計
蓄電池組信號采集和處理的工作原理如圖1所示。功能上包括獨立的兩部分：電壓檢測" title="電壓檢測">電壓檢測和電流檢測。其中電壓檢測實現較為簡單。系統充放電" title="充放電">充放電電流的實時檢測選用瑞士LEM公司的LA28-NP電流傳感器。
ST公司推出的STM32F103" title="STM32F103">STM32F103系列控制器采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz。該器件內置高速存儲器(高達128 KB的閃存和20KB的SRAM)，豐富的增強I／O端口和連接到兩條APB總線的外設；具有3個通用16位定時器和1個PWM定時器，以及2個I2C和2個SPI、3個USART、1個USB和1個CAN通信接口；工作于-40～+105℃的溫度范圍，供電電壓" title="供電電壓">供電電壓為2．O～3．6 V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。STM32F103系列處理器不但具有高速可靠、資源豐富、工作溫度和供電電壓范圍寬、功耗低、性價比高的特點，而且內部集成雙路A／D轉換器(16通道，12位精度，1 μs轉換時間)。
1．1 電壓檢測
電壓信號量的檢測采用雙電阻分壓模式，取兩個合適阻值的電阻串聯分壓，分壓后的電壓信號送入STM32F103處理器的A／D轉換引腳。本設計中，控制器基準電壓采用+2．5 V，故電壓信號輸入范圍須小于或等于2．5 V，即：
其中，Vbat為蓄電池組電壓值，實際變化范圍為20～28 V，這里Vbat取最大值28 V；R1和R2為分壓電阻，均選用精度為1％的金屬膜電阻。R1=102 kΩ，R2=10 Ω，R1和R2的串聯電阻達到112 kΩ，消耗的電量對裝備工作不會產生過大的影響。
1．2 充放電電流雙向采樣與處理
采用LA28-NP電流傳感器對充放電電流進行實時檢測。該傳感器是利用霍爾原理的閉環(補償)電流傳感器，原邊回路和副邊回路之間絕緣，可用于測量直交流脈沖和混合型電流，供電電壓±15 V。系統中采用1000：5的匝比，原邊回路的充放電±5 A電流對應副邊回路的額定電流Is，其有效值為±25 mA。在應用中，感應電流Is通過精密電阻Rm，取得電壓量V1，電阻Rm的取值取決于A／D轉換器對于V2的要求。
LA28-NP的輸出電流為雙向，即±25 mA的電流信號。在實際工作中，放電時輸出最大電流為+25 mA，而充電時，輸出最大電流為-25mA，由此而取得的電壓信號V1相對于地電平也為相應的正負電壓。STM32F103內置的ADC電壓輸入范圍為Vref-≤Vin≤Vref+。本設計中Vref-接模擬地，Vref+接2．5 V基準電壓，故ADC輸入范圍為O～2．5 V。目前存在的問題是：STM32F103采用單3．3 V工作，模擬量輸入無法處理反向電壓。在傳統的方式下，如果電阻Rm基準電平端接入地，充電時V1為負電壓，控制器無能為力。針對這個問題，本文設計了圖2所示的累加升壓、跟隨反向信號預處理電路，解決了雙向電流的A／D采樣問題。
該設計的基本思想是將雙向電流的電壓變化范圍均控制在0～Vref+范圍內。這是以犧牲A／D轉換精度為代價的。詳細過程如下：
①串入電阻Rm=50 Ω，獲得模擬量電壓輸出V1范圍為-1．25～+1．25 V。
②利用兩門運算放大器構建求和電路，實現V1和+1．25 V基準電壓累加，將V1擴展至0～-2．5 V。再做一次反向跟隨放大，實現電壓反向功能，輸出電壓V2為0～+2．5 V。
運算放大器選用通用運放LM324，供電電壓±15V，和電流傳感器LA28-NP采用同一供電電路。
取R3=R4=R5=10 kΩ，Vmid=-(1．25+V1)，故Vmid電壓范圍為O～-2．5 V。
在第二級反相放大電路中可得：
③STM32F103的A／D轉換器精度為12位，理論上對應數字量范圍0～4096。實際情況下，由于接插件、線纜、PCB和器件的綜合影響，充放電流計算公式為：y=kx-5．046，k=0．00244。在實際的程序編制中，k定義為float數據類型，至少取3位有效數字，才能保證O．01 A的電流精度。x表示A／D轉換器得到的數字量。y表示實際電流值，負數表示充電電流，正數表示放電電流。充放電電流和A／D數字量的曲線關系如圖3所示。
2 軟件設計
2．1 基本思路
監控系統軟件的開發采用ARM公司的Real View MDK開發工具，統一采用C語言編程。為提高開發效率，ST公司推出了針對STM32控制器的固件函數庫，目前的最新版本為STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3．2．O。電壓和電流檢測A／D轉換的軟件設置如下：
①配置模擬量輸入的GPIO口。STM32控制器有個很大的優點，其A／D轉換輸入引腳可以是任意GPIO，只要GPIO配置為GPIO_Mode_AIN模式，即可以實現模擬量輸入。STM32F103共有16個外部通道，該設計中將PCA和PC6作為電壓量和電流量的ADC輸入端。
②將ADC設置為連續轉換模式、右對齊、非外部觸發。
③啟動ADC，開始采樣轉換和處理。
2．2 軟件濾波措施
該應用中電壓量和電流量為變化較緩的信號，故軟件采取防脈沖干擾平均濾波算法。連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。通過實驗N取5時可達到滿意的效果。該算法能夠剔除偶然出現的脈沖性干擾，消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。
3 提高信號檢測精度的措施
為提高ADC處理的精度和系統抗干擾能力，該設計從ADC的使用、電壓基準" title="電壓基準">電壓基準和供電、濾波及元器件的選擇等方面采取了系列的措施。
3．1 ADC的使用
使用STM32F103的ADC時考慮兩個方面：
①兩個模擬量輸入口臨近的引腳不安排數字量I／O。I／O腳之間存在耦合電容，因此I／O端口的翻轉可能對ADC的模擬輸入產生一些噪聲。這可能是因為PCB走線過于靠近，或互相交叉而產生的。
②溫度會對ADC的精度產生較大的影響，主要包括偏移誤差和增益誤差。這些誤差可以通過微控制器的固件程序補償。一種方法是，根據不同的溫度范圍測量出完整的偏移和增益變化，再在存儲器中建立一個對照表，需要耗費額外的費用和時間。另一種方法是，當溫度達到某個數值時，使用內部的溫度傳感器和ADC看門狗功能，重新校準。
3．2 電壓基準芯片和獨立電源供電
在該設計中為保證信號的質量，重要的電平信號采用專用芯片來實現。例如使用REF2912和REF2925電壓基準芯片產生+1．25 V和+2．5 V兩個電壓基準源，+1．25 V基準信號用于放大器累加電路，+2．5 V基準信號提供給SFM32F103的Vref+。另外，模擬電路、控制器模擬供電和數字電路供電采用獨立電源，由專用DC／DC提供±15 V電源，為電流傳感器LA-28P及運算放大器LM324供電，STM32F103的模擬部分VDDA和數字部分VDD使用獨立的+3．3 V供電。三種獨立電源于一點共地，盡可能地減少電源間的互擾。這樣做的好處是，避免了很多的I／O端口翻轉操作在直流電源上產生的大量的噪聲干擾。
3．3 其他抗干擾措施
該設計還采取了其他的一些抗干擾措施：STM32F103控制器的VDDA和Vref+引腳連接2個外部的去耦電容器(10 nF瓷介電容+1 μF的鉭電容)；模擬電路中的所有電阻采用1％精度的金屬膜電阻；在PCB的布置中，模擬電路部分遠離數字部分，避免了在模擬電路底下通過數字信號線。
結語
該設計實現了充放電電流信號的累加升壓、跟隨反向，利用STM32F103控制器片內12位A／D實現了實時監測。最終電壓檢測實際精度達到O．005 V，電流實際精度達到O．005 A，效果穩定、可靠，滿足了設計要求。需進一步改進之處在于處理系統的溫漂問題，即溫度對電路的影響。