立创开源：基于STM32F030的1kHz SPWM简易电池内阻测试仪设计与实现

手把手教你DIY一个电池内阻测试仪从原理到实战最近在折腾一些锂电池项目发现电池内阻这个参数特别重要。内阻大了电池放电时发热就厉害容量也虚。市面上的专业内阻测试仪动辄上千对咱们爱好者来说有点下不去手。正好看到立创开源平台上有位大佬用STM32F030做了一个简易版本成本低、原理清晰还软硬件全开源。我研究了一下觉得特别适合拿来学习。今天咱们就一起把这个项目吃透从电路原理到代码实现手把手带你做一个自己的电池内阻测试仪。这个测试仪能测从1毫欧到100欧这么宽的范围分5个档位核心思路是给电池注入一个1kHz的正弦波交流信号然后测量这个信号在电池内阻上产生的压降最后通过计算得到内阻值。听起来有点复杂别怕咱们一步步拆开看。1. 核心测量原理交流注入法要测电池的内阻直接通直流电是不行的因为电池本身有电压。咱们的思路是“交流注入法”。想象一下电池就像一个水库水位是它的电压比如3.7V。我们想知道水库出水管的阻力内阻但不能直接堵住出水口测压力那样会改变水位。怎么办呢我们可以在出水管旁边用一个很小功率的水泵快速地、有节奏地比如每秒1000次推拉一点水流。这个额外的、快速波动的水流就会在出水管的阻力上产生一个微小的、波动的压力差。我们只要测出这个波动的压力差再除以波动的流量就能算出阻力了。对应到电路里水库水位 电池的直流电压。小功率水泵 我们产生的1kHz正弦波交流恒流源。波动的压力差 交流恒流源在电池内阻上产生的微小交流电压。波动的流量 我们已知的交流恒流源电流大小。所以测量公式非常简单电池内阻 R 交流电压 U / 交流电流 I。我们的设备要做的就是两件事产生一个已知的、纯净的1kHz正弦波恒流信号注入电池。高精度地测量电池两端由这个信号产生的微小交流电压。接下来咱们就看看硬件是怎么实现这两件事的。2. 硬件电路设计与分析整个硬件电路可以分成几个关键模块信号生成、恒流源、信号提取与放大、电源以及主控显示。咱们一个一个来看。2.1 信号生成从单片机SPWM到正弦波主控芯片选择了性价比极高的STM32F030F4P6它虽然资源不多但用来产生一个1kHz的信号绰绰有余。这里用了一个巧妙的方法SPWM正弦脉宽调制。单片机自己不能直接输出完美的模拟正弦波但它可以输出PWM脉宽调制方波。SPWM就是让PWM方波的宽度按照正弦波的规律变化。如果把这样的方波通过一个低通滤波器比如RC电路高频的方波成分会被滤掉留下来的就是平滑的正弦波了。提示RC滤波器的截止频率需要精心计算要能干净地滤除PWM的载波频率同时让1kHz的正弦波顺利通过。原设计图里用了电阻和电容搭建这个滤波器。2.2 恒流源电路如何产生稳定的测试电流光有正弦波电压还不够我们需要的是恒流源。电路里设计了两档恒流100mA档和10mA档。为什么分档因为内阻范围太宽了。测1毫欧的电阻如果用10mA电流产生的电压只有10微伏太难测量了所以用100mA大电流。测100欧的大电阻如果用100mA电流电压高达10V可能超出电路范围所以切换到10mA小电流。恒流源的核心是一个运放加上MOS管或三极管构成的反馈电路。原理是运放会努力使其两个输入端的电压相等。我们将一个参考电压由正弦波经过电阻网络产生加到运放的同相输入端将电流采样电阻上的电压反馈到反相输入端。这样运放就会自动调节MOS管的导通程度使得采样电阻上的电压始终等于参考电压。由于采样电阻阻值是固定的那么流经它的电流也就是注入电池的电流也就固定了实现了“恒流”。100mA档采样电阻是10欧姆。根据欧姆定律要产生100mA电流采样电阻上需要1V的电压。所以这个档位的参考电压正弦波幅度就是1V。10mA档采样电阻是100欧姆产生10mA电流同样需要1V的压降。两个档位通过模拟开关CD4053来切换选择不同的采样电阻接入反馈回路。2.3 信号提取与放大测量微弱的交流压降这是最精妙也最需要小心处理的部分。我们要测量的是叠加在电池直流电压上的、微小的交流信号。隔直电容首先必须用一个大电容图中是安规电容把电池的直流电压隔开只让交流信号进入测量电路。否则直流电压会淹没后级的放大电路。差分放大电池的交流压降信号是“浮动”的需要用差分放大器来测量。差分放大器只放大两个输入端的电压差能有效抑制共模干扰比如引线引入的噪声。原图使用了专用的差分运放芯片或由普通运放搭建的差分电路。可编程增益放大差分放大后的信号可能还是很微弱所以后面又接了一级可调增益的放大器。分为1、10、100、1000倍四档对应不同的内阻量程确保最终送到单片机ADC的信号幅度大小合适。电平抬升STM32的ADC通常只能测量0-3.3V的正电压。而我们的正弦波信号是围绕0V上下波动的有正有负。因此最后一级电路会把正弦波整体向上“抬”1.65V让它完全落在ADC的测量范围内。注意开尔文夹与布线测量毫欧级电阻时导线和接触电阻的影响巨大。必须使用四线制开尔文夹。HCHigh Current和 LCLow Current是一对负责注入恒流。HPHigh Potential和 LPLow Potential是另一对负责测量电压。HC和HP在一个夹子上LC和LP在另一个夹子上千万别接错布线时HC和LC的线要绞合在一起HP和LP的线要绞合在一起。这样可以减少电流线产生的磁场在电压测量线上感应出噪声电压。2.4 电源与主控电源采用9-12V直流输入。通过7805线性稳压芯片产生5V通过LM2596开关稳压芯片产生-5V为运放等模拟电路提供正负电源。5V再经过一个10欧电阻和470uF电容组成的RC滤波器进一步滤除噪声后给敏感的放大电路供电。主控与显示主控是STM32F030F4P6显示用的是最经典、易购的1602字符液晶屏。3. 软件实现1MHz采样与DFT计算硬件把模拟信号处理好送到了单片机的ADC引脚软件的任务就是把它变成数字并算出幅度。3.1 高速ADC采样为了准确分析1kHz的正弦波采样率必须远高于信号频率。原版程序设置了1MHz的ADC采样率在一个正弦波周期1ms内采集1000个点。这充分利用了STM32的ADC能力每个点间隔正好1微秒。高采样率能更好地还原波形但对计算要求也高。后来作者发现对于内阻测量采样率降到100kHz后读数更稳定线性度也更好。这是一个很重要的实战经验不是采样率越高越好要平衡速度和稳定性。3.2 DFT计算与滤波采回来1000个点怎么得到正弦波的幅度呢这里用了DFT离散傅里叶变换的一个特例。因为我们知道信号就是精确的1kHz所以只需要计算这个特定频率点的DFT即可这大大简化了运算。DFT计算会得到一个复数结果包含实部Re和虚部Im。正弦波的幅度A可以通过公式计算A sqrt(Re*Re Im*Im) / N其中N是参与计算的点数这里可能是500因为利用了对称性这个计算出来的幅度A对应的是经过放大电路后ADC测量到的正弦波电压幅度。它还不是我们最终要的电池内阻上的原始压降。首先这个幅度A要除以放大电路的增益倍数得到进入放大电路前的信号电压U_ac。然后根据公式R U_ac / I_ac计算内阻。其中I_ac就是我们恒流源设定的电流100mA或10mA的幅度值。为了让读数更稳定程序还对DFT计算出的幅度进行了200点的滑动平均滤波也就是把最近200次的计算结果平均一下。3.3 纯汇编与程序编译原作者为了极致的效率和代码大小控制整个程序都是用ARM汇编语言写的。这对于初学者来说可能有点吓人但咱们理解原理就好。项目代码完全开源在GitHub上。如果你要编译它需要安装arm-none-eabi工具链。在代码目录下直接输入make命令就可以编译生成二进制文件了。这对于学习底层寄存器和外设操作是绝佳的材料。4. 校准与使用心得这是让仪器从“能工作”到“测得准”的关键一步也是新手最容易踩坑的地方。4.1 校准步骤校准分为两步短路清零和标准电阻校准。短路清零用开尔文夹直接短接夹在一起按下按键1进入清零模式。此时读数应该为0如果不为0通过按键1和2调整到0。然后按住按键1的同时按按键2进入下一个档位继续清零。所有5个档位都清零完成后数据会自动保存到单片机Flash。电阻校准准备几个高精度的标准电阻如10毫欧、100毫欧、1欧、10欧、100欧。按下按键2不要松手再按下按键1进入校准模式。以0-10毫欧档为例夹上10毫欧的标准电阻通过按键1和2调整屏幕显示的读数使其等于“10.00”假设单位是毫欧。调准后同样按住按键1的同时按按键2进入下一档校准。全部完成后自动保存。4.2 实战经验与优化原作者在项目中分享了很多宝贵的实测经验功耗问题最初的版本恒流源电流较大100mA/10mA整体比较耗电不适合电池供电。后来推出了低功耗优化版将恒流源电流大幅降低33.3mA和3.33mA并把采样电阻换成更大阻值并联以降低功耗。代价是测量小电阻时信噪比变差读数跳动会大一些。采样率选择最初1MHz采样率读数跳动大改为100kHz后稳定性显著提升线性度也更好。这是一个关键的调试经验。线性度在最低量程毫欧档仪器的线性度可能不够理想。比如用0.5毫欧电阻校准后测比它大的电阻结果偏大测比它小的偏小。对于超高精度要求可能需要更复杂的多点线性校准算法。原作者表示如果有很多人仿制他可能会写更完善的校准程序。4.3 给仿制者的建议耐心校准校准是慢工出细活按键调整比较慢一定要有耐心。注意布线模拟部分尤其是前端差分放大和开尔文夹引线一定要严格按照要求使用绞合线并远离数字部分和电源部分。电源质量给运放供电的±5V电源一定要干净RC滤波电路不能省。理解原理再动手这个项目涉及模拟电路、数字信号处理、单片机编程等多个领域。建议先吃透每个模块的原理再动手焊接调试。遇到问题先分段检查比如先用示波器看SPWM输出和滤波后的正弦波再看恒流源输出是否稳定。这个开源项目提供了一个非常完整且低成本的内阻测量方案。它不仅是一个实用的工具更是一个学习交流测量技术、模拟电路设计和STM32高级应用的优秀平台。希望你能从中获得乐趣和知识