一種多通道高精度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賴永川，鄒復(fù)民，章云區(qū)，張俊鑫

（1.福建工程學(xué)院 電子電氣與物理學(xué)院，福建福州， 350118；2.福建星云電子股份有限公司，福建福州， 350015）

隨著科技的進(jìn)步，電動(dòng)汽車開始出現(xiàn)在人們的日常生活中，相較于以汽油為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)汽車在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)等方面有著巨大的優(yōu)勢，作為國家新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，正在快速發(fā)展中[1]。據(jù)我國市場監(jiān)督管理局質(zhì)量發(fā)布局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年上半年，我國發(fā)生了20 多起新能源汽車起火事件，對于車輛必須進(jìn)行全面的安全檢驗(yàn)測試。為便于普及實(shí)施電動(dòng)汽車安全檢測，最便捷的方案為在充電樁上增加檢測功能，其中涉及各測量裝置的升級。現(xiàn)有充電樁多采用精度為0.5%采集系統(tǒng)進(jìn)行電壓、電流采集，其精度不足以實(shí)現(xiàn)對車輛BMS 電壓、電流、SOC 誤差的測試[2~4]。同時(shí)，為更準(zhǔn)確測量車輛電池特性，要求電壓和電流采集需要達(dá)到3~5kHz 的采樣速率，現(xiàn)有采集系統(tǒng)的采樣速率無法滿足要求。

針對采集系統(tǒng)的采集精度、采集速率以及減少成本的要求，本文以TPAFE516 芯片（AD）、GD32F450VET6 芯片（單片機(jī)）為核心，加上外圍電路的設(shè)計(jì)構(gòu)成了高精度采集模塊。并對該模塊的功能進(jìn)行測試，首先在常溫下對采集系統(tǒng)的電壓采集和電流采集進(jìn)行精度測試，然后使用實(shí)驗(yàn)室的溫箱來測試采集精度在不同溫度下引起的誤差，最后對測試結(jié)果進(jìn)行分析。

1 高精度采集系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)

高精度采集系統(tǒng)以微電子技術(shù)、A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)和脈沖數(shù)字技術(shù)作為工作基礎(chǔ)，主要有以下幾個(gè)部分組成：工作電源部分、采樣電路部分、中央處理部分、輸出以及通信部分、外殼及接線端子部分組成[5]。

■1.1 高精度采集模塊的工作原理

高精度采集系統(tǒng)電流采集的工作原理是輸入的電流信號通過電流互感器采樣后轉(zhuǎn)化為小電流，后面通過將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過濾波電路后，通過放大信號將小信號變大，再輸入到ADC 芯片中；電壓采集的工作原理是輸入的電壓信號經(jīng)過分壓電阻進(jìn)行分壓，將分壓后的信號進(jìn)行濾波后在輸入到ADC 芯片，ADC 芯片將收集到的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換等一系列處理之后通過SPI 通訊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[6]。

圖1 高精度采集系統(tǒng)原理圖

■1.2 高精度采集系統(tǒng)參數(shù)

（1）工作電壓為24V；

（2）輸入被測模擬電壓范圍為±1000V；

（3）輸入被測模擬電流范圍為±250A；

（4）電壓和電流采樣精度為0.05%；

（5）電壓和電流采樣速率10kHz；

（6）被測信號支持8 通道同步數(shù)據(jù)采樣；

（7）支持以太網(wǎng)通訊和485 通訊。

2 高精度采集系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)

ADC 芯片采用3peak 公司的TPAFE516，TPAFE516芯片是16 位8 通道同步采樣的芯片，具有并行數(shù)據(jù)采集功能，其采集速度可達(dá)到350KSPS。這款芯片的工作電壓是雙極性輸入，輸入范圍為±5V 或±10V 可調(diào)芯片，工作電壓需要5V 以及3.3V。本文采用了±5V 的ADC 輸入，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，信息傳輸采用并行模式。TPAFE516 芯片的工作原理圖如下圖所示。影響采集模塊的因素主要是由于電壓采樣電路和電流采樣電路的設(shè)計(jì)，需要選取適合的采樣電阻和分壓電阻，以及對于采集的信號需要進(jìn)行濾波，可以減少采樣誤差。下面簡單介紹一下電壓采樣電路和電流采樣電路的設(shè)計(jì)。

■2.1 電壓采樣電路的設(shè)計(jì)

圖2 TPAFE516 芯片原理圖

圖3 電壓采樣電路原理圖

電壓采樣電路的電壓采集范圍是-1000V ～1000V，電壓采樣電路采用精度為0.01%，溫度系數(shù)為10PPM/℃，1206 封裝的電阻，分壓電阻數(shù)量為14 個(gè)，每個(gè)電阻的阻值為1.5MΩ，采樣電阻的阻值分別為20k 和50k，精度為0.01%，溫度系數(shù)為5PPM/℃[7]。并且電壓采樣電路采用正負(fù)端差分輸入的方式，正端電壓采樣電路和負(fù)端電壓采樣電路一致，這種方式可以有效減少共模干擾。將采集到的電壓信號經(jīng)過濾波后傳輸?shù)紸DC 芯片，再通過SPI 通訊經(jīng)過MCU 處理后，最終得到輸入電壓的值。輸入電壓的值為正端采樣電壓的減去負(fù)端采樣電壓的值。

輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為：

■2.2 電流采樣電路的設(shè)計(jì)

電流采樣電路的電流采集范圍為是-250A~250A，電流采樣電路采用精度為0.05%，溫度系數(shù)為10PPM/℃，2512 封裝的電阻，阻值為5Ω，采樣電阻為五個(gè)電阻并聯(lián)，使得采樣電阻的阻值為1Ω，采用五個(gè)電阻的原因是為了使得采樣電阻的功率下降，長時(shí)間工作的情況下而不發(fā)生危險(xiǎn)。由于電流太大，直接接入電路的話會導(dǎo)致電路損壞，所以需要外接電流傳感器，電流傳感器需由高精度采集模塊的電源部分供電，它的主要的作用是將輸入的大電流信號等比例縮小成小電流信號，選用型號為HIT500 的電流傳感器，最大承受電流為500A，比值為1：2000。電流的測量范圍為-250A~250A，經(jīng)過電流互感器后將電流變成了-125mA~125mA[8]。

本文設(shè)計(jì)的電流采樣電路是將差分輸入的電流信號通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號經(jīng)過濾波電路進(jìn)行濾波后，再通過放大電路將電壓信號進(jìn)行放大，最后輸入到ADC 芯片。

輸入電流和輸出電流的關(guān)系：

3 高精度模塊的軟件設(shè)計(jì)

高精度模塊軟件設(shè)計(jì)主要分為ADC 芯片控制和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分。MCU 采用GD32F450VET6 芯片， 對ADC 芯片的時(shí)序進(jìn)行控制，以及采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

■3.1 ADC 芯片控制設(shè)計(jì)

ADC 芯片為TPAFE516 支持并行接口模式，通過控制輸入(CS 和RD)、并行輸出總線(DB[15:0])和BUSY 信號讀取設(shè)備輸出數(shù)據(jù)[9~11]。對于在系統(tǒng)中只使用一個(gè)設(shè)備并且不與任何其他設(shè)備共享并行輸出總線的應(yīng)用程序，CS 和RD 輸入信號可以綁在一起，或者CS 信號可以永久綁在低電平。本文采用的是CS 一直保持在低電平，在CS 和RD信號的第一個(gè)下降沿處，通道1 的輸出數(shù)據(jù)在并行總線上可供數(shù)字主機(jī)讀取。在這個(gè)瞬間，F(xiàn)RSTDATA 輸出也變高，表明通道1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好被回讀[12~13]。剩余通道的輸出數(shù)據(jù)以順序方式在CS 和RD 信號的后續(xù)下降沿上的并行總線上進(jìn)行時(shí)鐘輸出。當(dāng)FRSTDATA 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)在被讀取，再次轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，第二次數(shù)據(jù)開始被讀取。為了使得采樣速度達(dá)到10kHz 需要對OS[2:0]引腳進(jìn)行配置，當(dāng)引腳配置為101 時(shí)，滿足要求。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測試表明采用TPAFE516 芯片的并行數(shù)據(jù)輸出模式能夠滿足系統(tǒng)所需采樣頻率，并且數(shù)據(jù)采樣誤差≤0.05%，滿足系統(tǒng)所需要求。

圖4 電流采樣電路原理圖

圖5 并行模式下的時(shí)序圖

■3.2 數(shù)據(jù)處理

ADC 芯片采集到的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制代碼，需要將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，采集到的數(shù)據(jù)還需要根據(jù)放大以及縮小的倍數(shù)進(jìn)行還原。由于電阻溫漂，接地信號以及布線等原因會導(dǎo)致誤差，需要對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證獲得的數(shù)據(jù)精度保持不變。經(jīng)過校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)最后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示出來。電壓采樣電路是正負(fù)電壓輸入，有兩個(gè)通道輸入ADC 芯片，電流采樣電路根據(jù)放大倍數(shù)的不同分為了三個(gè)通道輸入，加上溫度測試，總共六通道輸入，將輸入的數(shù)據(jù)還要進(jìn)行均值處理，每次數(shù)據(jù)采集有40 筆數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)求平均值，最后輸出。

圖7 FLUKE 數(shù)字萬用表

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試

采集系統(tǒng)主要采集電壓以及電流，使用高精度可編程直流電源進(jìn)行測試，型號為PDR2006/90，F(xiàn)LUKE 8845A 是六位半高精度數(shù)據(jù)萬用表，用來檢測輸入的電壓電流值。以萬用表顯示的值為準(zhǔn)，對上位機(jī)顯示的值進(jìn)行誤差分析。

圖8 溫箱

圖9 高精度系統(tǒng)集成板

■4.1 測試設(shè)備

對高精度采集系統(tǒng)的電壓、電流采集精度測試主要用到的設(shè)備有數(shù)字萬用表、溫箱，以及高精度可編程電源。

■4.2 測試數(shù)據(jù)

測試了電壓采樣電路在±1000V 的量程內(nèi)的常溫下的數(shù)據(jù)以及-25℃和55℃下的電壓采樣數(shù)據(jù)，并且測試了常溫下的電流數(shù)據(jù)，測得的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)如表1~4 所示。

表1 常溫下電壓測試數(shù)據(jù)

表2 55℃下電壓測試數(shù)據(jù)

表3 -25℃下電壓測試數(shù)據(jù)

表4 常溫下電流測試數(shù)據(jù)

■4.3 測試結(jié)果分析

圖6 ADC 采集系統(tǒng)

為了使得高精度采集系統(tǒng)的采集精度減少由于溫度變化產(chǎn)生的影響，采用了低溫漂的電阻，使得在高低溫的環(huán)境下依舊可以正常工作。從上表數(shù)據(jù)可以看出，電壓采樣電路和電流采樣電路在工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)依舊可以保持誤差滿量程在0.05%以內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度采集系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的性能參數(shù)，工作原理，以及軟硬件電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。并且對采集系統(tǒng)進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)，測試了不同溫度下的電壓采樣電路和電流采樣電路的數(shù)據(jù)，測試結(jié)果顯示電壓測試精度和電流測試精度均滿足設(shè)計(jì)要求。該高精度采樣系統(tǒng)可以應(yīng)用于光儲充檢系統(tǒng)內(nèi)，來檢測充電時(shí)的電壓和電流，不僅采樣精度高，采樣速率也快。從檢測精度、采樣速率、經(jīng)濟(jì)性角度來說，相較于傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)，具有較大的優(yōu)勢，有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。