蓄电池组信号采集和处理的工作原理如图1所示。功能上包括独立的两部分：电压检测和电流检测。其中电压检测实现较为简单。系统充放电电流的实时检测选用瑞士LEM公司的LA28-NP电流传感器。

ST公司推出的STM32F103系列控制器采用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz。该器件内置高速存储器（高达128 KB的闪存和20KB的SRAM），丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设；具有3个通用16位定时器和1个PWM定时器，以及2个I2C和2个SPI、3个USART、1个USB和1个CAN通信接口；工作于- 40～ 105℃的温度范围，供电电压为2.0～ 3.6 V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。STM32F103系列处理器不但具有高速可靠、资源丰富、工作温度和供电电压范围宽、功耗低、性价比高的特点，而且内部集成双路A/D转换器（16通道，12位精度，1μs转换时间）。

1）电压检测

电压信号量的检测采用双电阻分压模式，取两个合适阻值的电阻串联分压，分压后的电压信号送入

STM32F103处理器的A/D转换引脚。本设计中，控制器基准电压采用 2.5 V，故电压信号输入范围须小于或等于2.5 V，即：VbatR1 R2× R2≤ 2.5 V （1）

其中，Vbat为蓄电池组电压值，实际变化范围为20～28 V，这里Vbat取最大值28 V；R1和R2为分压电阻，均选用精度为1%的金属膜电阻。R1= 102 kΨ，R2= 10Ψ，R1和R2的串联电阻达到112 kΨ，消耗的电量对装备工作不会产生过大的影响。

2、充放电电流双向采样与处理

采用LA28-NP电流传感器对充放电电流进行实时检测。该传感器是利用霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器，原边回路和副边回路之间绝缘，可用于测量直交流脉冲和混合型电流，供电电压± 15 V。系统中采用1000∶ 5的匝比，原边回路的充放电± 5 A电流对应副边回路的额定电流Is，其有效值为± 25 mA。在应用中，感应电流Is通过精密电阻Rm，取得电压量V1，电阻Rm的取值取决于A/D转换器对于V2的要求。

LA28-NP的输出电流为双向，即± 25 mA的电流信号。在实际工作中，放电时输出最大电流为 25 mA，而充电时，输出最大电流为- 25 mA，由此而取得的电压信号V1相对于地电平也为相应的正负电压。STM32F103内置的ADC电压输入范围为Vref-≤ Vin≤ Vref 。本设计中Vref-接模拟地，Vref 接2.5 V基准电压，故ADC输入范围为0～ 2.5 V。目前存在的问题是：STM32F103采用单3.3 V工作，模拟量输入无法处理反向电压。在传统的方式下，如果电阻Rm基准电平端接入地，充电时V1为负电压，控制器无能为力。针对这个问题，设计了图2所示的累加升压、跟随反向信号预处理电路，解决了双向电流的A/D采样问题。

该设计的基本思想是将双向电流的电压变化范围均控制在0～ Vref 范围内。这是以牺牲A/D转换精度为代价的。详细过程如下：

①串入电阻Rm= 50Ψ，获得模拟量电压输出V1范围为- 1.25～ 1.25 V。

②利用两门运算放大器构建求和电路，实现V1和 1.25V基准电压累加，将V1扩展至0～-2.5V。再做一次反向跟随放大，实现电压反向功能，输出电压V2为0～ 2.5V。

运算放大器选用通用运放LM324，供电电压± 15V，和电流传感器LA28-NP采用同一供电电路。

Vmid= -（R5/R3× 1.25 R5/R4× V1）

取R3= R4= R5= 10 kΨ，Vmid=-（1.25 V1），故Vmid电压范围为0～-2.5V。在第二级反相放大电路中可得：

Vout= -R7/R6× Vmid

取R6= R7= 10 kΨ，则Vout= - Vmid，Vout取值范围为0～ 2.5V。

③ STM32F103的A/D转换器精度为12位，理论上对应数字量范围0～ 4096。实际情况下，由于接插件、线缆、PCB和器件的综合影响，充放电流计算公式为：y= kx- 5.046，k= 0.00244。在实际的程序编制中，k定义为float数据类型，至少取3位有效数字，才能保证0.01 A的电流精度。x表示A/D转换器得到的数字量。y表示实际电流值，负数表示充电电流，正数表示放电电流。

在某装备的研制过程中，为保障装备效能的正常发挥，需要实时掌握其内部集成的铅酸蓄电池组的工作状态（主要状态参数包括电池组电压和充放电电流），要求监控系统做到精度高、可靠、简单。具体参数指标是：蓄电池组标称值DC 24V，充放电电流在5A以内；电压检测精度要求0.01V，电流检测精度要求0.01A，即小数点后保证两位有效数字。设计了以STM32F103系列嵌入式控制器为核心的具有信号处理、采样和计算的软硬件控制系统。

1、基本思路

监控系统软件的开发采用ARM公司的RealViewMDK开发工具，统一采用C语言编程。为提高开发效率，ST公司推出了针对STM32控制器的固件函数库，目前的最新版本为STM32F10x StdPeriph Lib V3.2.0。电压和电流检测A/D转换的软件设置如下：

①配置模拟量输入的GPIO口。STM32控制器有个很大的优点，其A/D转换输入引脚可以是任意GPIO，只要GPIO配置为GPIO Mode AIN模式，即可以实现模拟量输入。STM32F103共有16个外部通道，该设计中将PC4和PC6作为电压量和电流量的ADC输入端。

②将ADC设置为连续转换模式、右对齐、非外部触发。

③启动ADC，开始采样转换和处理。STM32F103的ADC主要程序片段略———编者注。

2、软件滤波措施

该应用中电压量和电流量为变化较缓的信号，故软件采取防脉冲干扰平均滤波算法。连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N- 2个数据的算术平均值。通过实验N取5时可达到满意的效果。该算法能够剔除偶然出现的脉冲性干扰，消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

为提高ADC处理的精度和系统抗干扰能力，该设计从ADC的使用、电压基准和供电、滤波及元器件的选择等方面采取了系列的措施。

1、ADC的使用

使用STM32F103的ADC时考虑两个方面：

①两个模拟量输入口临近的引脚不安排数字量I/O。I/O脚之间存在耦合电容，因此I/O端口的翻转可能对ADC的模拟输入产生一些噪声。这可能是因为PCB走线过于靠近，或互相交叉而产生的。

②温度会对ADC的精度产生较大的影响，主要包括偏移误差和增益误差。这些误差可以通过微控制器的固件程序补偿。一种方法是，根据不同的温度范围测量出完整的偏移和增益变化，再在存储器中建立一个对照表，需要耗费额外的费用和时间。另一种方法是，当温度达到某个数值时，使用内部的温度传感器和ADC看门狗功能，重新校准。

2、电压基准芯片和独立电源供电

在该设计中为保证信号的质量，重要的电平信号采用专用芯片来实现。例如使用REF2912和REF2925电压基准芯片产生 1.25V和 2.5V两个电压基准源， 1.25V基准信号用于放大器累加电路， 2.5V基准信号提供给STM32F103的Vref 。另外，模拟电路、控制器模拟供电和数字电路供电采用独立电源，由专用DC/DC提供±15V电源，为电流传感器LA-28P及运算放大器LM324供电，STM32F103的模拟部分VDDA和数字部分VDD使用独立的 3.3V供电。三种独立电源于一点共地，尽可能地减少电源间的互扰。这样做的好处是，避免了很多的I/O端口翻转操作在直流电源上产生的大量的噪声干扰。

3、其他抗干扰措施

该设计还采取了其他的一些抗干扰措施：STM32F103控制器的VDDA和Vref 引脚连接2个外部的去耦电容器（10nF瓷介电容 1μF的钽电容）；模拟电路中的所有电阻采用1%精度的金属膜电阻；在PCB的布置中，模拟电路部分远离数字部分，避免了在模拟电路底下通过数字信号线。 2100433B