基于Cortex-M3 的直流电子负载设计

郑艳霞 黄 虎 谢忠林 王邦均

成都理工大学信息科学与技术学院 四川成都 610059

【文章摘要】

现在大部分电子产品的核心是高效节能稳定的电源。直流电子负载是可准确的测试其他设备参数的仪器，本设计是基于Cortex-M3 的恒流直流电子负载。由MOSFET 实现恒流，手动设置电流并液晶显示，自动测量电源的负载调整率。经测试输入的电压、电流，电压分辨力可以达到1mV，精度0.02%+0.02%FS，电流分辨力1mA，精度0.1%+0.1%FS。且具有过压保护及断电数据自动保存，高温自动控制风扇进行散热功能。

【关键词】

恒流; 闭环控制; 过压保护;Cortex-M3

0 引言

现今的电子负载技术已经非常先进， 可以自动进行多种检测，操作软件的图形化界面，使用户更方便的进行各种数据的分析，还可以和高速数据采集设备构成自动检测系统，能够全方位的保护被测设备。适用于各种电源、LED 驱动、电池及充电器等，具有广阔的市场和前景。

本设计的微控制器是LMS811，可实时控制，同时内部带有许多接口电路，不需要软件模拟，高效精确使用方便，不会对MCU 产生很大的影响。

1 系统总体设计与工作原理

1.1 系统总体设计

直流电子负载主要包括液晶显示模块、电压电流采集模块、横流电路设计和键盘控制及保护电路模块，系统的总框图如图1 所示。

图1 直流电子负载系统总体框图

液晶显示模块显示和记录电子负载的电压电流值；电流电压采集模块用于检测电子负载工作实时运行的电流电压数据；恒流电路是本设计的核心，采用闭环稳流电路当采样电阻一定时可通过改变输入控制达到改变电流的目的；4*4 矩阵键盘模块主要用于手动控制电流；报警保护模块用于过压保护及温度升高时的报警提醒。

1.2 系统工作原理

主控制器LMS811 控制DA 产生一个稳定电压，使MOS 管导通电流产生跟随电压与之比较控制MOS 管的开启宽度， 当其电压相等时达到恒流，且让负载的工作模式保持恒流，再通过内部的ADC 采样获取精确的电流电压值，软件闭环控制不断调整输出量的精度，直流稳压电源输出端串联电阻等效电源内阻，程序自动测量电源的负载调整率。与此同时液晶显示其工作状态和测量数据。

2 系统硬件设计

目前，TI 提供的四代的Stellaris 的ARM Cortex - M3 的微控制器 Stellaris 系列已经有160 多个型号。LM3S811 虽属于Stellaris 中低端入门系列的32 位单片机，但内部含有PWM、IIC 等接口，正好适合于ADC，DAC，以及键盘液晶等的控制使用，而且具有很快的机器频率，处理数据较快，完全满足本系统的设计。

2.1 电压采集模块

本系统采用电阻分压形式将较大的电压通过电阻分压成适合于ADC 采样的电压，使用运算放大器作为一个电压跟随器进行阻抗匹配。

假设用ADC 测出的电压为Vadc，那么输入电压V 的值为：

V=Vadc/R1(R1+R2)

输入电压的测量误差主要与ADC 采样得到的电压误差，及分压电阻的误差有关。而ADC 采样的误差又与跟随误差和ADC 误差有关。如果分压电阻精度够高， 温漂足够小的话，则分压能达到较高的精度。使用运放为了使ADC 采样不会对分压网络的等效电阻产生影响，为了达到高精度需要使用输入失调电压与失调电流较小的运算放大器。

2.2 恒流控制模块

恒流部分电路如图2 所示。

由单片机控制DA 产生一个稳定电压，有P4 输入到运放OP07 的同向端，运放输出高电平使MOS 管Q1 导通，导通电流在电阻Rs 上产生一个电压通过OPA 进行电压跟随，然后输入到运放OP07 与DA 输出的电压进行比较，控制MOS 管的开启宽度，当DA 输入的电压与电阻Rs 上的电压相等时，达到平衡，由I=U/R 可知流过Rs 的电流是定值，从而达到恒流的目的； 同时，将Rs 上的电压通过AD 采样回单片机即可算出流过电路的电流，改变DA 的输出电压即可改变流过电路的电流。

本电路采用OP07 作为控制运放，它和 MOSFET 构成了硬件闭环反馈电路，DA 只要给定电压值即可通过闭环反馈快速地实现电压设定，从而快速地设置电流。由于OP07 精度比较高，输入失调电流、电压比较小，因此能够达到较高的控制精度。在图中小电容C11，用来补偿MOSFET 的栅源等效电容，从而弥补了OP07 速度不够的不良影响。后继OPA2340 作为电压跟随器，用来消除由于ADC 采样而对电路分压电阻造成的改变。由于OPA2340 的输入失调电流在pA 级别，约为0.2-10pA, 输入失调电压也在uV 级别，而且具有很高的输入阻抗，因此能够保证本电路的高精度。

3 系统软件设计

系统软件设计主要由以下几部分组成，系统初始化设置各子程序的工作初始状态、然后存储初始电流值、之后通过恒流自动调节程序调整电流进行电流采样、之后进行电压采样并获取温度，最后液晶显示程序运行之后的数据记录并进行下一轮的循环直到实现所需的精度数据。

系统上电复位后，首先进行各功能模块的初始化，然后按照顺序进入相应子程序的循环状态。

4 结束语

通过实验测试，本设计可以实时测量输入的电压、电流，电压分辨力达到1mV， 精度0.02%+0.02%FS，电流分辨力1mA， 精度0.1%+0.1%FS。

【参考文献】

[1] 马场清太郎. 运算放大器应用电路设计[M]. 北京：科学出版社， 2007

[2] 康华光. 电子技术基础模拟部分（第四版）[M]. 北京：高等教育出版社，2004

[3] 芦玉寄. 恒流电子负载的创新设计与实现[N]. 福建: 闽江学院学报， 2009

[4] 周海强. 恒流电源设计[N]. 四川: 机床电器，2005

[5]Peter Van Der Linden 著，徐波译.C 专家编程[M]. 北京：人民邮电出版社，2012

【作者简介】

郑艳霞（1988-），女，四川眉山人，硕士研究生。

图2 恒流电源控制模块005