純電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閆亞林 徐亞丹 苗勝

摘 要：為了提高數(shù)字信號(hào)處理的快速穩(wěn)定性，本文介紹了以 C8051F120單片機(jī)為核心控制器，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有 DI板卡、DO板卡、AI板卡，AO板卡、通信模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于純電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)的控制，將數(shù)據(jù)傳給以 Labview為虛擬儀器的上位機(jī)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)

計(jì)方案的可行性及良好的動(dòng)靜態(tài)特性。關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)；C8051F120；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；串口通信

1 引言

為了有效地減少汽車(chē)排放，提高科學(xué)研究水平，純電動(dòng)汽車(chē)的研究被政府列為重點(diǎn)科研項(xiàng)目，而純電動(dòng)汽車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則是研究電動(dòng)汽車(chē)的前期工作，在電動(dòng)汽車(chē)的試驗(yàn)臺(tái)的研究中，采集來(lái)自開(kāi)關(guān)的數(shù)字量信號(hào)、來(lái)自電壓、電流等的模擬量信號(hào)，以及對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理就顯得格外重要，針對(duì)系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各項(xiàng)功能的特點(diǎn)，自行研發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [1]，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)的基本研究。

2 純電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

Labview采用流程式的開(kāi)發(fā)環(huán)境大大簡(jiǎn)化了程序開(kāi)發(fā)的復(fù)雜程度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，且內(nèi)置了 VISA、GPIB、RS232、DAQ等模塊和基本分析庫(kù)，為實(shí)現(xiàn)工控機(jī)之間的通信、數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制等綜合功能提供了一個(gè)很好的途徑。在本系統(tǒng)控制中，我們將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集 [2，3，8]的數(shù)據(jù)，傳給以 Labview為虛擬儀器的上位機(jī) [4，5，6，7]。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，主要分為對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)、數(shù)字量輸入設(shè)計(jì)、數(shù)字量輸出設(shè)計(jì)、模擬量輸入設(shè)計(jì)、通信模塊設(shè)計(jì)。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

由于純電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，除了部分交流高壓供電外，大多數(shù)采用 24V電壓供電，所以電源電路設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮控制器的電源供電，也要考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各個(gè)板卡的供電，以及整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的其他電路供電。設(shè)計(jì)電源電路電壓由 24V經(jīng)過(guò) 7815電源芯片轉(zhuǎn)換為 15V，在經(jīng)過(guò) 7805電源芯片轉(zhuǎn)換為 5V，最后經(jīng)過(guò) AS1117電源芯片，將電壓轉(zhuǎn)換為 3.3V，給控制器以及需要供電的電路供電。

2.2 數(shù)字量輸入輸出設(shè)計(jì)

由于給出開(kāi)關(guān)信號(hào)的電氣接點(diǎn)有可能處于高壓環(huán)境，電磁干擾較強(qiáng)，為了隔離現(xiàn)場(chǎng)高壓，同時(shí)避免干擾，在接點(diǎn)與數(shù)字信號(hào)處理器之間加入光電耦隔離芯片，實(shí)現(xiàn)可靠的電隔離。因此，數(shù)字量輸入電路設(shè)計(jì)如圖 1所示。數(shù)字量輸出設(shè)計(jì)和數(shù)字量輸入設(shè)計(jì)一樣，為了避免干擾，加入光電隔離芯片。

該數(shù)字量輸入電路設(shè)計(jì)主要為了防止電壓過(guò)高造成對(duì)單片機(jī)端口的傷害，基本工作原理是當(dāng)外來(lái)數(shù)字量信號(hào)到達(dá)，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)由二極管組成的防反向的電路，再經(jīng)過(guò)電容濾波，使電壓穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)光電隔離芯片 TLP521-4，光電隔離芯片的輸出電壓 5V電平，由于單片機(jī)為 3.3V供電，考慮電平的兼容性問(wèn)題，采用 AS1117芯片將 5V電平轉(zhuǎn)為 3.3V電平，再傳給單片機(jī) I/O口，這樣避免了單片機(jī)端口因?yàn)橥獠拷o定電壓太大而燒壞。

2.3 模擬量輸入輸出設(shè)計(jì)

模擬輸入模塊設(shè)計(jì)，主要將采集到的傳感器等模擬信號(hào)，正確的傳給單片機(jī)，如圖 2所示。它主要是外部給定模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)磁珠和電阻之后，把電壓給 LM324運(yùn)算放大器，經(jīng)過(guò)跟隨作用，再經(jīng)過(guò)電阻的分壓，將信號(hào)降低，當(dāng)電壓再次經(jīng)過(guò) LM324之后，電壓值與 3.3V 進(jìn)行取和求平均值，當(dāng)經(jīng)過(guò) LM324之后電壓值超過(guò) 3.3V時(shí)，給單片機(jī)的電壓信號(hào)為 3.3V起到限幅的作用，再將有效的電壓信號(hào)傳遞給單片機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬量輸入模塊的作用。其中對(duì)模擬輸入模塊設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè) b點(diǎn)電壓為 Ub，則 Uc-Ub=Ub-（-0.25Ui）解得 Ub=1.5-

0.125Ui，這樣才保證輸出的電壓為正確的。

2.4 483通信接口模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當(dāng)重要的是通信模塊的設(shè)計(jì)， RS485通信有硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是 RS485通信存在自適應(yīng)不強(qiáng)、自保護(hù)能力差、通信效率低等缺點(diǎn)，如使用不當(dāng)可能經(jīng)常出現(xiàn)以下兩種故障現(xiàn)象： 1、通信收發(fā)不可靠、不穩(wěn)定、誤碼率高； 2、某個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)癱瘓。485和 483芯片具有類(lèi)似的通信功能，綜合各種考慮因素，我們采用 MAX483芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)調(diào)試

當(dāng)系統(tǒng)供電后進(jìn)行單片機(jī)端口的配置， C8051F120單片機(jī)有 Con.gAndCon.g2Install配置軟件，將所需要的配置在該軟件配置完畢既可以進(jìn)行主程序的編程，在該控制系統(tǒng)中，采用分步編程，分別將 PORT、AD兩個(gè)模塊的初始化模塊化，然后編寫(xiě)程序。

4 總結(jié)

本文重點(diǎn)介紹了純電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)字量輸入輸出電路設(shè)計(jì)、模擬量輸入輸出設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)以及通信接口電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)、分析和論證，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)化、模塊化的特點(diǎn)，可應(yīng)用于各種低壓控制系統(tǒng)的檢測(cè)。

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