一個(gè)新能源汽車測(cè)試數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

萬昭 李楊 李平 楊超

關(guān)鍵詞：新能源汽車；測(cè)試；數(shù)據(jù)采集

0 引言

世界范圍內(nèi)的資源和環(huán)境壓力，使新能源汽車在全世界都有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ呀?jīng)成為21世紀(jì)汽車工業(yè)重要的發(fā)展方向[1]。目前新能源汽車中的純電動(dòng)汽車還存在著速度慢、續(xù)航里程短等諸多問題，主要采用提高動(dòng)力系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率、提高車載電池的性能等方式來解決。在整車的開發(fā)過程中，需要對(duì)整車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、對(duì)故障進(jìn)行診斷、連續(xù)記錄整車長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、離線分析等[2]。新能源汽車測(cè)控技術(shù)的重要性也日益突出，它能明顯地縮短汽車的設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)費(fèi)用，優(yōu)化汽車的性能，因此開發(fā)新能源汽車測(cè)試數(shù)據(jù)采集卡具有非常重要的意義[3-4]。

目前數(shù)據(jù)采集卡主要是國(guó)外的產(chǎn)品和使用國(guó)外芯片的產(chǎn)品[4]，研究與開發(fā)使用國(guó)內(nèi)芯片的數(shù)據(jù)采集卡，可以減少對(duì)國(guó)外技術(shù)和產(chǎn)品的依賴，解決國(guó)外高速數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)卡脖子、供應(yīng)鏈緊張的問題。

1 原理與框圖

新能源汽車測(cè)試數(shù)據(jù)采集卡利用并行采集、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)網(wǎng)EtherCAT、ARM 等技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，適用于新能源汽車整車的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、故障診斷、動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集等。采用ARM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)高抗干擾能力、速度快、精度高、測(cè)控范圍廣、信號(hào)完整性好、兼容性好、智能化程度高、具有故障自診斷能力的并行采集及數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)采集單元，并可實(shí)現(xiàn)相關(guān)單元電路模塊的集成化。除此之外，它通常還具備功耗低、體積小、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集卡原理框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集卡是以EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)接口的從站設(shè)備數(shù)據(jù)采集卡，適合各種開發(fā)平臺(tái)使用，適合中低速、較高精度場(chǎng)的測(cè)量應(yīng)用。具有 14 路模擬輸入、1 路計(jì)數(shù)頻率、1 路增量式編碼器（可差分輸入）等功能；通過 EtherCAT 以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有多種同步模式；具有多種通信模式，滿足不同條件工業(yè)場(chǎng)合條件下應(yīng)用。

數(shù)據(jù)采集卡主要由數(shù)采設(shè)備與嵌入系統(tǒng)、ESC模塊和電源模塊組成。

2.1 數(shù)采設(shè)備與嵌入系統(tǒng)

數(shù)采設(shè)備與嵌入系統(tǒng)包括數(shù)采電路、控制電路和通信電路。

數(shù)采電路采用全隔離設(shè)計(jì)，輸入通道采用多通道并行采集方式。多通道并行采集原理如圖2所示。

數(shù)采電路包括數(shù)字電橋、第一濾波、隔離模擬放大器、比例運(yùn)算放大器和第二濾波電路，通過數(shù)字電橋的應(yīng)用使本裝置能夠測(cè)量微小信號(hào)，檢測(cè)出狀態(tài)的微小變化，提高了測(cè)試精度。同時(shí)傳感器的電源地（VSS） 和采集控制的數(shù)字地（GND） 進(jìn)行隔離，增大抗干擾能力；數(shù)字地（GND） 和模擬地（AGND） 分離，單點(diǎn)接地以消除回路干擾。

RTD 采集：外部模擬信號(hào)由 PT1～PT6 接入，經(jīng)過數(shù)字電橋、濾波、隔離模擬放大器、運(yùn)放放大器等調(diào)整電路進(jìn)入 ADC，AD 控制時(shí)序由 STM32 完成。

AI 采集：外部模擬信號(hào)由 AI0～AI5、AI12、AI13 接入，電路分壓、濾波、隔離模擬放大器、運(yùn)放放大器等調(diào)整電路進(jìn)入 ADC，AD 控制時(shí)序由 STM32 完成。

電壓采集：外部模擬信號(hào)由 AI10、AI11 接入，電路分壓、濾波、隔離模擬放大器、運(yùn)放放大器等調(diào)整電路進(jìn)入 ADC，AD 控制時(shí)序由STM32 完成。

計(jì)數(shù)測(cè)頻原理：采用定時(shí)器輸入捕獲原理對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行采集。

增量式編碼器電路：采用定時(shí)器的編碼器接口模式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，依據(jù)單位時(shí)間內(nèi)，根據(jù)脈沖走過的距離計(jì)算實(shí)際速度，這里采用10ms 定時(shí)器中斷。

RTD采集電路框圖和電路如圖3所示。

控制電路采集數(shù)采電路輸出的信號(hào)，采集數(shù)據(jù)的速度可達(dá)250KSPS，控制電路包括STM32芯片、晶振、EEPROM芯片等，控制電路與通信電路和從站控制器連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸與外部中斷的連接，通信電路包括RS485、CAN、SPI接口等。

2.2 ESC 模塊

ESC模塊實(shí)現(xiàn)EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。處理EtherCAT數(shù)據(jù)幀，并為從站控制裝置提供數(shù)據(jù)接口。ESC模塊實(shí)可提供2～4個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口，每個(gè)端口都可以收發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀在ESC內(nèi)部的傳輸順序是固定的，如圖4所示。通常數(shù)據(jù)從端口0進(jìn)入ESC，然后按照端口3→端口1→端口0的順序依次傳輸。如果ESC模塊檢測(cè)到某個(gè)端口沒有外部連接，則自動(dòng)閉合此端口，數(shù)據(jù)將自動(dòng)回環(huán)并轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)端口。

ESC 使用兩種物理層接口模式：MII 和EBUS。MII是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層接口，使用外部物理層芯片，一個(gè)端口的傳輸延時(shí)約為500ns。本數(shù)據(jù)采集卡使用MII物理接口。

2.3 電源模塊

電源模塊分別連接數(shù)采設(shè)備與嵌入系統(tǒng)和ESC 模塊，分別提供5V、3.3V和1.2V電壓，為各部分電路供電。電源模塊采用9-36V的直流寬電壓輸入，使用濾波和隔離電路提高采集卡的抗干擾能力。

采集卡實(shí)物如圖5 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序使用C 和C++，采用KeiluVision5 V5.26.2.0平臺(tái)開發(fā)。數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序框圖如圖6所示。

軟件并行實(shí)時(shí)采集多路ADC 的采樣值，對(duì)采樣值進(jìn)行分析、濾波、校正、計(jì)算后，將處理后的數(shù)值通過SPI 或FSMC 通信傳輸?shù)紼SC 模塊中，ESC按照EtherCAT 通信格式封裝為數(shù)據(jù)包，依據(jù)通信配置文件XML將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)紼therCAT主站設(shè)備。軟件可實(shí)現(xiàn)移植，同一軟件可在多個(gè)采集設(shè)備中運(yùn)行，開發(fā)成本低。

4 測(cè)試與應(yīng)用

本采集卡可直接和計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)口相連，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。它的主要應(yīng)用場(chǎng)合為：信號(hào)采集（扭矩、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、頻率、流量）、電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、脈沖計(jì)數(shù)、頻率測(cè)量、增量式編碼器測(cè)量。

1） 模擬量輸入：全通道隔離采樣，抗干擾能力強(qiáng)；轉(zhuǎn)換精度：12 位；非線性誤差：±5LSB；采樣速率：1KSPS～250KSPS；支持單點(diǎn)采樣：10SPS；采樣方式：異步采樣；AD 觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)；時(shí)鐘源：內(nèi)部時(shí)鐘觸發(fā)；模擬信號(hào)輸入方式：?jiǎn)味耍粶y(cè)量類型：電壓、電流、電阻；模擬輸入 TVS 保護(hù)，防止浪涌噪聲損壞模擬器件。

2） 計(jì)數(shù)測(cè)頻：通道數(shù)：1 通道；最高計(jì)數(shù)頻率1MHz；分辨率：16 位；計(jì)數(shù)方式：輸入捕獲；計(jì)數(shù)范圍：0～（2^16-1） ；測(cè)頻：對(duì)計(jì)數(shù)器信號(hào)自動(dòng)測(cè)量； 測(cè)頻占空比：1%～99%；測(cè)量頻率范圍：30Hz～1MHz。

3） 增量式編碼器：通道數(shù)：1 通道；分辨率：16 位；計(jì)數(shù)方式：編碼器輸入；計(jì)數(shù)范圍：0～（2^16-1） ；增量式測(cè)量：對(duì)計(jì)數(shù)器信號(hào)自動(dòng)測(cè)量；誤差：±1r/s。

系統(tǒng)具有安裝快捷，調(diào)整方便、自動(dòng)化程度高特點(diǎn)，提高了測(cè)試效率；采用國(guó)產(chǎn)化器件，大幅度降低了試驗(yàn)綜合成本。

自動(dòng)化工況保護(hù)功能完善，系統(tǒng)具備溫度超限值、振動(dòng)超限值、停機(jī)、開路、短路等保護(hù)功能。

本采集卡在乘用車高速性能試驗(yàn)臺(tái)和電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取代了原有的進(jìn)口數(shù)據(jù)采集卡，取得了良好的效果。數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用場(chǎng)景和效果如圖7所示。

系統(tǒng)采集加載電機(jī)的5路溫度、1路扭矩信號(hào)、2 路振動(dòng)信號(hào)，與其他采集卡組成測(cè)控系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)試效果為：誤差值與同類型的國(guó)外品牌倍福進(jìn)行比較，溫度值誤差在±0.2℃，扭矩誤差在±0.1N.m，振動(dòng)誤差在0.01mm/s，可以滿足試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試需求。

經(jīng)過60天的不間斷測(cè)試，采集卡運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在新能源汽車測(cè)試數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與開發(fā)中。利用工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT、FPGA等技術(shù)進(jìn)行采用模塊化設(shè)計(jì)和從站結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制及分析利用一體化，使整個(gè)系統(tǒng)便于擴(kuò)展和應(yīng)用；通過數(shù)字電橋的應(yīng)用提高了測(cè)試精度，采用多種隔離措施，增強(qiáng)了抗干擾能力;采集卡設(shè)計(jì)基本涵蓋了新能源汽車整車和傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試領(lǐng)域中的扭矩、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、頻率、流量等信號(hào)，適用于新能源汽車整車特別是傳動(dòng)系統(tǒng)的各種測(cè)試和運(yùn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車測(cè)試數(shù)據(jù)采集卡的國(guó)產(chǎn)化和測(cè)控技術(shù)的提升。