隨著人工智能、電子信息、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)、電源技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源在各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越起到至關(guān)重要的作用也對(duì)電源提出了更高的要求，使得電源朝著重量輕、體積小、高頻化、高效率的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬控制電源已不能滿(mǎn)足這些新興技術(shù)應(yīng)用的需求，采用數(shù)字控制技術(shù)來(lái)提高電源的性能己成為高性能電源的一大發(fā)展方向。

本作品設(shè)計(jì)的數(shù)控源分為MCU控制模塊、DC-DC模塊和快充模塊三個(gè)部分。其中控制模塊采用兆易創(chuàng)新的GD32E503為主控MCU，外設(shè)有電源模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器按鍵模塊、顯示模塊、ADC采樣模塊、Wi-Fi模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、SD存儲(chǔ)模塊、四腳按鍵模塊等組成。DC-DC模塊輸出電壓0-30V和輸出電流0-5A可調(diào)。快充模塊支持多種快充協(xié)議、可對(duì)手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品進(jìn)行快速充電。軟件方面采用KEIL集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，上位機(jī)采用QT集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用模塊化編程，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)通過(guò)串口實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)控源輸出電壓電流值，并通過(guò)上位機(jī)可以設(shè)定電壓電流值。

本作品設(shè)計(jì)的數(shù)控源具有恒壓、恒流輸出，輸出電壓范圍在0-30V，輸出電流在0-5A，輸出電壓精度為0.01V，輸出電流精度為0.003A。該數(shù)控源具有可調(diào)精度高、紋波小、體積小、反應(yīng)靈敏、工作穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

作品創(chuàng)新

1、本直流數(shù)控電源可以恒壓、恒流輸出，紋波小；輸出電壓值0~30V，輸出電流值0~5A，電壓精度0.01V，電流精度0.003A，功率最大可達(dá)150W。

2、采用補(bǔ)償算法精確控制DAC輸出以及中位值濾波算法對(duì)ADC芯片采到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波計(jì)算處理，減小誤差。

3、本作品所有主控芯片均采用國(guó)產(chǎn)芯片，PCB硬件設(shè)計(jì)也采用了國(guó)產(chǎn)立創(chuàng)EDA，做到了百分之百?lài)?guó)產(chǎn)化替代，大大縮減了成本，并且本作品體積小、方便攜帶。

4、增加快充、物聯(lián)網(wǎng)、存儲(chǔ)功能。支持全協(xié)議快充；并可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控電源運(yùn)行狀態(tài)；還可將設(shè)備數(shù)據(jù)運(yùn)行日志存到文件系統(tǒng)SD卡中，方便后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

作品設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要分為MCU控制板模塊、DC-DC模塊和快充模塊三個(gè)部分，軟件設(shè)計(jì)分為邏輯代碼的設(shè)計(jì)和上位機(jī)設(shè)計(jì)，其中邏輯代碼的開(kāi)發(fā)環(huán)境為KEIL5，上位機(jī)采用QT編寫(xiě)。

MCU控制板模塊采用兆易創(chuàng)新GD32E503VET6為主控芯片，采用四層板布局設(shè)計(jì)。外設(shè)有單片機(jī)電源模塊、ADC采樣模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器按鍵模塊、顯示模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、Wi-Fi模塊、SD存儲(chǔ)模塊、四腳按鍵模塊等。MCU通過(guò)SPI協(xié)議控制ADC采樣模塊對(duì)DC-DC模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，將其采到的電壓轉(zhuǎn)化為輸出電壓并顯示在屏幕上。當(dāng)用戶(hù)按下設(shè)定鍵時(shí)，通過(guò)外部中斷觸發(fā)進(jìn)入設(shè)定電壓電流功能選項(xiàng)，用戶(hù)使用旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)定電壓電流值，旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)定好預(yù)置電壓、電流之后，通過(guò)程序進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算得到的數(shù)字值賦值給DAC寄存器，DAC輸出兩路電壓來(lái)控制DC-DC模塊的電壓電流輸出。

▲系統(tǒng)框圖

軟件部分采用KEIL5開(kāi)發(fā)環(huán)境，首先對(duì)硬件進(jìn)行初始化設(shè)定，當(dāng)外設(shè)初始化完成后，進(jìn)入while循環(huán)，通過(guò)按鍵外部中斷來(lái)判斷所處的狀態(tài)，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)進(jìn)行溫濕度刷新、ADC采樣濾波顯示、串口打印輸出、寫(xiě)入SD、將數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺(tái)等，當(dāng)按鍵按下時(shí)，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)定狀態(tài)，可以進(jìn)行電壓電流值設(shè)定，當(dāng)再次按下按鍵時(shí)，退出設(shè)置功能并通過(guò)兩路DAC輸出相應(yīng)的電壓來(lái)進(jìn)行控制。上位機(jī)采用QT開(kāi)發(fā)環(huán)境，上位機(jī)可以與GD32單片機(jī)進(jìn)行交互，單片機(jī)將電壓、電流等信息通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行接收并實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)波形。

▲主控程序流程圖

最終可以實(shí)現(xiàn)輸入220V 50Hz交流電，輸出為0-30V、0-5A可調(diào)。并通過(guò)Wi-Fi模塊將采集的電壓、電流、溫度等信息傳至阿里云平臺(tái)，通過(guò)云端實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

測(cè)試分析

▲ 實(shí)物展示

▲ 性能測(cè)試

▲ 快充測(cè)試

該作品使用GD32E503VET6作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了直流數(shù)控源控制板的設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試。該數(shù)控源具有可調(diào)精度高、 紋波小、體積小、反應(yīng)靈敏、工作穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)增加了快充接口，支持各種快充協(xié)議，以及具備云平臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

審核編輯：郭婷