一種多通道高精度采集系統的設計

賴永川，鄒復民，章云區，張俊鑫

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

隨著科技的進步，電動汽車開始出現在人們的日常生活中，相較于以汽油為動力的傳統汽車，電動汽車在節約能源和環境保護等方面有著巨大的優勢，作為國家新能源戰略的重要組成部分，正在快速發展中[1]。據我國市場監督管理局質量發布局數據統計，2020 年上半年，我國發生了20 多起新能源汽車起火事件，對于車輛必須進行全面的安全檢驗測試。為便于普及實施電動汽車安全檢測，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。現有充電樁多采用精度為0.5%采集系統進行電壓、電流采集，其精度不足以實現對車輛BMS 電壓、電流、SOC 誤差的測試[2~4]。同時，為更準確測量車輛電池特性，要求電壓和電流采集需要達到3~5kHz 的采樣速率，現有采集系統的采樣速率無法滿足要求。

針對采集系統的采集精度、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）為核心，加上外圍電路的設計構成了高精度采集模塊。并對該模塊的功能進行測試，首先在常溫下對采集系統的電壓采集和電流采集進行精度測試，然后使用實驗室的溫箱來測試采集精度在不同溫度下引起的誤差，最后對測試結果進行分析。

1 高精度采集系統的主要功能特點

高精度采集系統以微電子技術、A/D 轉換技術和脈沖數字技術作為工作基礎，主要有以下幾個部分組成：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化為小電流，后面通過將電流信號轉化為電壓信號，經過濾波電路后，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過分壓電阻進行分壓，將分壓后的信號進行濾波后在輸入到ADC 芯片，ADC 芯片將收集到的信號經過數模轉換等一系列處理之后通過SPI 通訊將處理后的數據傳輸給單片機，由單片機進行數據分析[6]。

圖1 高精度采集系統原理圖

■1.2 高精度采集系統參數

（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 通道同步數據采樣；

（7）支持以太網通訊和485 通訊。

2 高精度采集系統的硬件電路的設計

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，具有并行數據采集功能，其采集速度可達到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，為了提高數據傳輸速率，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計，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計。

■2.1 電壓采樣電路的設計

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%，溫度系數為10PPM/℃，1206 封裝的電阻，分壓電阻數量為14 個，每個電阻的阻值為1.5MΩ，采樣電阻的阻值分別為20k 和50k，精度為0.01%，溫度系數為5PPM/℃[7]。并且電壓采樣電路采用正負端差分輸入的方式，正端電壓采樣電路和負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過濾波后傳輸到ADC 芯片，再通過SPI 通訊經過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端采樣電壓的值。

輸入電壓與輸出電壓的關系為：

■2.2 電流采樣電路的設計

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%，溫度系數為10PPM/℃，2512 封裝的電阻，阻值為5Ω，采樣電阻為五個電阻并聯，使得采樣電阻的阻值為1Ω，采用五個電阻的原因是為了使得采樣電阻的功率下降，長時間工作的情況下而不發生危險。由于電流太大，直接接入電路的話會導致電路損壞，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，經過電流互感器后將電流變成了-125mA~125mA[8]。

本文設計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換成電壓信號，電壓信號經過濾波電路進行濾波后，再通過放大電路將電壓信號進行放大，最后輸入到ADC 芯片。

輸入電流和輸出電流的關系：

3 高精度模塊的軟件設計

高精度模塊軟件設計主要分為ADC 芯片控制和數據處理兩個部分。MCU 采用GD32F450VET6 芯片， 對ADC 芯片的時序進行控制，以及采集到的數據進行處理。

■3.1 ADC 芯片控制設計

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 信號讀取設備輸出數據[9~11]。對于在系統中只使用一個設備并且不與任何其他設備共享并行輸出總線的應用程序，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信號的第一個下降沿處，通道1 的輸出數據在并行總線上可供數字主機讀取。在這個瞬間，FRSTDATA 輸出也變高，表明通道1 數據準備好被回讀[12~13]。剩余通道的輸出數據以順序方式在CS 和RD 信號的后續下降沿上的并行總線上進行時鐘輸出。當FRSTDATA 由高電平變為低電平時，數據在被讀取，再次轉為高電平時，第二次數據開始被讀取。為了使得采樣速度達到10kHz 需要對OS[2:0]引腳進行配置，當引腳配置為101 時，滿足要求。經多次實驗測試表明采用TPAFE516 芯片的并行數據輸出模式能夠滿足系統所需采樣頻率，并且數據采樣誤差≤0.05%，滿足系統所需要求。

圖4 電流采樣電路原理圖

圖5 并行模式下的時序圖

■3.2 數據處理

ADC 芯片采集到的數據為二進制代碼，需要將其轉換成十進制，采集到的數據還需要根據放大以及縮小的倍數進行還原。由于電阻溫漂，接地信號以及布線等原因會導致誤差，需要對獲取的數據進行校準，保證獲得的數據精度保持不變。經過校準后的數據最后通過以太網傳輸到上位機顯示出來。電壓采樣電路是正負電壓輸入，有兩個通道輸入ADC 芯片，電流采樣電路根據放大倍數的不同分為了三個通道輸入，加上溫度測試，總共六通道輸入，將輸入的數據還要進行均值處理，每次數據采集有40 筆數據，將這些數據求平均值，最后輸出。

圖7 FLUKE 數字萬用表

4 實驗數據測試

采集系統主要采集電壓以及電流，使用高精度可編程直流電源進行測試，型號為PDR2006/90，FLUKE 8845A 是六位半高精度數據萬用表，用來檢測輸入的電壓電流值。以萬用表顯示的值為準，對上位機顯示的值進行誤差分析。

圖8 溫箱

圖9 高精度系統集成板

■4.1 測試設備

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

■4.2 測試數據

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

表1 常溫下電壓測試數據

表2 55℃下電壓測試數據

表3 -25℃下電壓測試數據

表4 常溫下電流測試數據

■4.3 測試結果分析

圖6 ADC 采集系統

為了使得高精度采集系統的采集精度減少由于溫度變化產生的影響，采用了低溫漂的電阻，使得在高低溫的環境下依舊可以正常工作。從上表數據可以看出，電壓采樣電路和電流采樣電路在工作環境溫度發生變化時依舊可以保持誤差滿量程在0.05%以內，滿足了設計的要求。

5 結語

設計了一個高精度采集系統，對該系統的性能參數，工作原理，以及軟硬件電路的設計進行了介紹。并且對采集系統進行了高低溫試驗，測試了不同溫度下的電壓采樣電路和電流采樣電路的數據，測試結果顯示電壓測試精度和電流測試精度均滿足設計要求。該高精度采樣系統可以應用于光儲充檢系統內，來檢測充電時的電壓和電流，不僅采樣精度高，采樣速率也快。從檢測精度、采樣速率、經濟性角度來說，相較于傳統的采集系統，具有較大的優勢，有良好的開發應用前景。