基于ARM Cortex-M3的小型化远程监控电源系统设计

发布时间：2015-02-26 阅读量：1104 来源: 我爱方案网作者:

【导读】随着嵌入式技术的发展，使用嵌入式实时操作系统是电源监控系统的必然选择。一方面是因为嵌入式实时操作系统具有良好的可移植性和较高的可靠性; 另一方面是因为随着电源监控系统性能的不断提升，仅靠传统的单片机已无法适应新的需求。ARM 是当今嵌入式技术的代表。

ARM 作为当今嵌入式技术的代表，不仅具有上述的所有优势，且成本很低，具有很高的性价比。本文中设计的系统选用了TI 公司生产的LuminaryCortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片。

1 工作原理

图1 以8 路用电设备的电源监控为例，给出了监控系统的原理框图。

　图1 8 路电源监控系统原理框图

8 路设备均从总电源处取电，各供电支路的工作方式完全一样。电源监控系统启动之后，主芯片处于上电复位状态，其GPIOF 的8 个I/O 引脚处于低电平，此时电控开关保持关断状态，即供电支路处于断电状态。当主芯片内核和各外设初始化成功后，通过其内部嵌入式程序控制GPIOF 的8 个I/O 引脚输出变为高电平，相应地各供电支路处于通电状态，开始正常工作。

采集模块包含电流传感器和分压电路，电流传感器可测得流过供电支路的电流值，分压电路将供电支路的电压值调整到主芯片ADC 采样的范围内，二者均为模拟值。检测值经过AD 采样后，可在主芯片内运算得到各供电支路的电流和电压值，并与预设的电流和电压门限进行比较。若在门限范围内则表示该供电支路工作正常，而在门限范围外则表示该供电支路发生了过流、过压、欠压等异常，主芯片通过将GPIOF 相应引脚的输出变为低电平来自动给该支路断电，在经过检查排除故障后可通过上位机下发指令控制该供电支路通电。

上位机与嵌入式下位机通过以太网进行通信，上位机可向下位机下发指令控制指定供电支路的通断，也可设置各供电支路的电流和电压门限值。每隔一定的时间，各供电支路的电流、电压值及各种正常/ 异常状态由下位机发送至上位机，通过上位机显控软件可观察各供电支路的工作状态。

2 设计与实现

2.1 核心模块

核心模块采用TI 公司生产的Luminary Cortex-M3 系列ARM 中的LM3S9B96 芯片，该芯片具有80MHz 的运行速度，内部集成了大容量的256KB 单周期Flash ROM 和96KB 单周期SRAM，具有16 通道10bit 分辨率的AD 采样模块、支持;LwIP 协议的10/100M 自适应以太网模块和丰富的I/O 接口。

LM3S9B96 有65 个I/O 接口，设计时选取GPIOF 组8 个I/O 接口作为控制引脚;各供电支路需要采集电压和电流两种值，16 通道AD 采样模块可满足8 路供电支路的采样需求;集成的MAC+PHY 外设也可实现与上位机的以太网通信;大容量的内置存储空间为复杂的程序提供了合适的平台。根据上述分析，LM3S9B96 芯片非常适合本监控系统，并可极大简化电路设计。

2.2 控制模块

各供电支路控制模块的设计如图2所示。根据各支路设备需要的电流值选择合适的继电器作为电子开关，并且在控制引脚和继电器间加入光耦隔离保护及供电通断指示灯。

当主芯片GPIOF 控制引脚为低电平时，LED 灯灭，继电器3 脚输入与5 脚输出断开，该供电支路断电;当主芯片GPIOF 控制引脚为高电平时，光耦输出为低电平，LED 灯亮，继电器3 脚输入与5脚输出导通，该供电支路通电。

　　图2 供电支路控制模块设计图

2.3 采集模块

各供电支路采集模块的设计如图3所示。电流传感器串联在电源回路内，其内部霍尔传感器会将支路电流产生的磁场以电压的形式输出至主芯片的AD 采样模块，根据厂家提供的手册可计算出对应的电流值。电压值的采集电路采用电阻分压电路的形式，采样电压值亦被输出至AD 采样模块，通过简单换算即可得到实际电压值。实际应用中，根据用电设备的电流和电压值可灵活的选择合适的电流传感器和分压电路阻值。需要注意的是，输出到 AD 采样模块的电流和电压值必须在其0-3V 的采样范围内。

　　图3 供电支路采样模块设计图

2.4 通信模块

通信模块用来实现上位机与下位机之间的通信，本设计中下位机的以太网通信依靠主芯片内置的MAC+PHY 来实现，该模块支持10/100M 自适应以太网。

由于嵌入式处理器内部的运算及存储资源相对PC 来说非常有限，因此就必须在资源受限的情况下实现及处理Internet 协议。LM3S9B96 就是在这样的条件下占用尽量小的资源实现一个轻型的TCP/IP 协议栈，该协议栈叫做LwIP.与许多其它的TCP/IP 实现一样，LwIP 也是以分层的协议为参照，每一个协议作为一个模块被实现。LwIP 由TCP/IP 实现模块、操作系统模拟层、缓冲语内存管理子系统、网络接口函数及一组Internet 校验和计算函数组成。

为便于二次开发，TI 官方提供了丰富的底层驱动程序及详细API 说明，本设计在此基础上编写了整个以太网通信程序。以太网通信功能的实现，使得本电源监控系统除了具备智能化外，还具备了远程监控的能力，极大的拓展了该系统的应用范围。

2.5 显控模块

显控模块实在上位机开发的软件功能模块，本设计中该模块的开发基于VC++ 6.0.显控主要实现与下位机的通信控制、各供电支路电流和电压门限值在线设置及采集值的可视化显示。

设计过程中必须确定显控模块与下位机软件的数据格式，上位机下发的指令有更改门限值、查询门限值、更改通断状态、信道测试等，下位机上发的参数有更改门限值应答、返回当前门限值、通断状态返回、异常状态返回和信道测试等。这些指令确保了整个监控系统处于闭环状态，在任何时刻系统的状态和检测值都是可视的，提高了整个系统的可视化和可靠性。

3 结论

本文中描述的电源监控系统已实际应用在多个项目中，包括一些环境较恶劣的场合，整套系统运行稳定，并且借助以太网实现了远程智能化监控。另外，本设计也存在可以改进和提高的地方。首先是提高电流和电压值采样的精度，从而满足一些对供电电源精度要求极高的领域;其次是可以考虑加入无线通信功能，从而减少系统布线的复杂度并拓宽应用场合。随着技术的不断完善，该类电源监控系统必将在更多领域获得广泛应用。

推荐阅读：

各个击破LED灯五大技术壁垒

【剖析】电网储能的五种技术路线

线缆设计中的串扰问题解决方案

相关资讯

中国AI产业突破封锁的韧性发展路径及未来展望

在全球科技博弈背景下，美国对华AI芯片出口限制政策持续升级。腾讯总裁刘炽平在2025年第一季度财报会上明确表示，腾讯已具备应对供应链风险的充足储备与技术创新能力，标志着中国AI产业正加速走向自主化发展道路。本文结合产业动态与政策趋势，剖析中国AI产业的战略转型与突破路径。

重塑全球供应链格局：ASM International战略布局应对贸易壁垒

在全球半导体产业链加速重构的背景下，荷兰半导体设备巨头ASM International（以下简称“ASM”）近期通过一系列战略调整引发行业关注。2025年5月15日，该公司宣布将通过转嫁关税成本、加速美国本土化生产及优化全球供应链，应对地缘政治风险与贸易壁垒。面对美国近期加征的“对等关税”政策（涵盖钢铁、汽车等商品，未来可能扩展至半导体领域），ASM展现出显著的供应链韧性：其亚利桑那州工厂即将投产，新加坡基地产能同步扩充三倍，形成“多区域制造网络”以分散风险。与此同时，中国市场成为其增长引擎——2025年中国区销售额或突破预期上限，占比达总营收的20%，凸显其在差异化竞争中的技术优势。这一系列举措不仅反映了半导体设备行业对关税政策的快速响应，更揭示了全球产业链从“效率优先”向“安全韧性”转型的深层逻辑。

国产芯片架构演进之路：从指令集适配到生态重构

在全球半导体产业长期被x86与ARM架构垄断的背景下，国产芯片厂商的生态自主化已成为关乎技术主权与产业安全的核心议题。北京君正集成电路股份有限公司作为中国嵌入式处理器领域的先行者，通过二十余年的技术迭代，探索出一条从指令集适配到生态重构的独特路径——早期依托MIPS架构实现技术积累，逐步向开源开放的RISC-V生态迁移，并创新性采用混合架构设计平衡技术过渡期的生态兼容性。这一转型不仅打破了国产芯片“被动跟随”的固有范式，更在智能安防、工业控制、AIoT等新兴领域实现了从“技术替代”到“生态定义”的跨越。据行业数据显示，其基于RISC-V内核的T系列芯片已占据计算芯片市场80%的份额，成为推动国产架构产业化落地的标杆。本文通过解析北京君正的架构演进逻辑，为国产半导体产业突破生态壁垒提供可复用的方法论。

性能飙升27%！高通骁龙7 Gen4如何改写中端芯片格局？

5月15日，高通技术公司正式推出第四代骁龙7移动平台（骁龙7 Gen 4），以台积电4nm制程打造，性能迎来全方位升级。该平台采用创新的“1+4+3”八核架构，CPU性能较前代提升27%，GPU渲染效率提升30%，并首次支持终端侧运行Stable Diffusion等生成式AI模型，NPU算力增幅达65%。在影像领域，其搭载的三重12bit ISP支持2亿像素拍摄与4K HDR视频录制，配合Wi-Fi 7与XPAN无缝连接技术，重新定义中高端设备的创作边界。荣耀与vivo宣布首发搭载该平台的机型，预计本月上市，标志着生成式AI技术向主流市场加速渗透。

破局高端芯片！小米自研玄戒O1即将发布，性能参数首曝光

5月15日晚间，小米集团CEO雷军通过个人微博账号正式宣布，由旗下半导体设计公司自主研发的玄戒O1手机SoC芯片已完成研发验证，计划于本月下旬面向全球发布。据雷军透露，该芯片将采用业界领先的4nm制程工艺，核心性能指标已接近国际旗舰水平。