基于LTC2945的电压、电流监测及保护系统的设计

杨 伟

（山西大众电子信息产业集团有限公司， 山西 太原 030000）

引言

随着当今电子产品设计复杂程度的不断提升，管理电路中的电压、电流变得更加重要。从工业应用到家用智能设备，精确的电压和电流监测对于节能及可靠性保证至关重要[1]。LTC2945是一款可适应多种应用的通用板级电源监视器，可精确测量电流、电压和功率。本文采用基于Cortex-M3内核的ARM-STM32芯片作为主控核心，通过I2C总线读取LTC2945片上电压及电流值，当所测量值大于基准值时，STM32通过控制保护电路达到电源的通断控制目的。

1 系统概述

1.1 系统设计方案

本文选用凌特公司推出的12位高精度电流、电压及功率监测器LTC2945作为测量芯片。LTC2945是一款轨至轨系统监视器，测量范围0～80 V，测量精度高达25 mV（102.4 V满量程），数据刷新率为7.5 Hz；LTC2945包含一个I2C接口去读取内置数据/控制寄存器中的值。两个三态引脚ADR1和ADR0组成9种编码地址，达到一台主机可以同时控制9台从机设备的目的；LTC2945的SDA引脚分离出SDAI（输入）和SDAO（输出）避免输入输出数据间干扰；由于其内部使用的是I2C总线接口，使其很容易与主控设备组成电压、电流测试系统。本系统采用市面上主流的ARM芯片STM32F103ZET6作为主控MCU，其内核采用ARM架构，具有丰富的片上逻辑资源及外部IO接口资源，位宽高达32位，集成512Mbyts的FLASH内部存储器及64Kbyts的内部RAM块，以其工作稳定、资源丰富的优点被广泛应用于工控领域[2]。该系统最大的特点是编程语言采用灵活的C语言，结构清晰、易于开发、执行效率高，且代码稳定、可移植性强，可在复杂环境下稳定工作。可变基准电压、电流输入模块借鉴LTC2945芯片工作原理，采用10个拨码开关分别与STM32主芯片的10个IO引脚连接，当选择电压档位时，程序执行读取电压操作，由于LTC2945最大电压可测量80 V，本设计最大基准电压也设为80 V，将其分成1 024等份，0～80 V电压可以用10个拨码开关组合表示，精度高达78.125 mV。通过拨码开关状态量设定当前过压值，使其与LTC2945测量值做比较，当测量值大于设定值时，MCU主芯片通过控制引脚通告控制保护电路模块使其切断电源，达到保护电路的目的。当选择电流档位时，程序执行读取电流操作，由于LTC2945最大电流可测量5.12 A，本设计最大基准电压也设为5.12 A，将其分成1024等份，0～5.12 A电流值可以用10个拨码开关组合表示，精度高达5 mA。通过拨码开关状态量设定当前过流值，使其与LTC2945测量电流值做比较，当测量值大于设定过流量时，MCU主芯片通过控制引脚通告控制保护电路模块使其切断电源，达到保护电路的目的。

1.2 系统工作原理

系统采用采用ARM最先进架构的基于Cortex-M3内核的处理器STM32F103ZET6芯片作为整体控制核心，通过读写I2C总线时钟操纵LTC2945芯片，该芯片内置一个12位分辨率的模数转换器，可精确读取被测电压、电流值；STM32实时监测读取LTC2945片上电压及电流值，当所测量值大于基准值时，STM32通过控制保护电路达到电源的通断控制目的。

STM32F103ZET6主频可达72 MHz，内存FLASH高达512 kB，SRAM高达64 kB，2个I2C总线接口，支持 FSMC（flexible static memory controller）静态存储控制器，可用于控制各种类型的高速存储器。FSMC高速总线直接连到MCU，可以快速高效地实现读写操作，也可使其便于驱动可触控液晶屏。基于上述硬件配置，本文选用带ILI9341控制器的TFT液晶屏，使其可以直观地观测被监测电压、电流值。系统方框图如图1所示。

图1 系统方框图

整个系统由主控MCU、可变基准输入模块、LTC2945监测模块、输入电源、电路保护控制模块和告警显示模块组成。

主控MUC是整个系统的核心心脏，LTC2945监测输入的电压、电流值，当监测值大于预设的基准值时，MCU将通过电路保护控制模块起到电路保护的功能，并通过液晶屏直观地显示出被测电压、电流值。

2 系统功能模块及程序设计

2.1 硬件功能模块设计

图2为LTC2945控制电路图，STM与LTC2945之间采用I2C协议通信，LTC2945采用独立的输入、输出数据传输，有效地避免了输入、输出数据的码间串扰；电路中采用光耦MOCD207M实现输入、输出数据的隔离；LTC2945将电压转换为数字量后通过SDAO数据线串行传送到STM32 I2C总线上。

图2 LTC2945控制电路图

图3 系统工作流程图

2.2 系统控制程序设计

使用Keil-MDK开发环境对控制系统进行了编码。当系统上电后，各系统参数初始图2LTC2945控制电路图化完成，主机通过I2C总线识别到从机地址，与从机握手成功后，从机回应主机ACK信号，随后主机判断从机是否读取的为电压值，如果是则与基准电压做比较，如果超过基准阈值，则主机开启电路保护模块切断电源，并产生告警提醒。同理，电流值也会轮询被监控。其工作流程图如图3所示。

2.3 测试结果及性能分析

在搭建电路及程序调试完成后，选取实验室某电源模块进行测试，利用液晶屏将测试电压、电流值直观显示出来，测试结果如图4所示。

图4 液晶屏实测结果图

3 结语

本文给出了一种有效的监测电压、电流及其过压、过流保护的电路设计方案，实验结果表明其测试结果精确、可靠，可广泛应用于工控系统中。