一個新能源汽車測試數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)

萬昭 李楊 李平 楊超

關(guān)鍵詞：新能源汽車；測試；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?，已?jīng)成為21世紀汽車工業(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，主要采用提高動力系統(tǒng)中驅(qū)動電機的效率、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，需要對整車的運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)測、對故障進行診斷、連續(xù)記錄整車長時間試驗運行數(shù)據(jù)、離線分析等[2]。新能源汽車測控技術(shù)的重要性也日益突出，它能明顯地縮短汽車的設(shè)計周期，降低研發(fā)費用，優(yōu)化汽車的性能，因此開發(fā)新能源汽車測試數(shù)據(jù)采集卡具有非常重要的意義[3-4]。

目前數(shù)據(jù)采集卡主要是國外的產(chǎn)品和使用國外芯片的產(chǎn)品[4]，研究與開發(fā)使用國內(nèi)芯片的數(shù)據(jù)采集卡，可以減少對國外技術(shù)和產(chǎn)品的依賴，解決國外高速數(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

新能源汽車測試數(shù)據(jù)采集卡利用并行采集、工業(yè)現(xiàn)場互聯(lián)網(wǎng)EtherCAT、ARM 等技術(shù)進行開發(fā)，適用于新能源汽車整車的運行狀態(tài)實時監(jiān)測、試驗運行數(shù)據(jù)記錄、故障診斷、動力與傳動系統(tǒng)測控平臺的數(shù)據(jù)采集等。采用ARM技術(shù)可實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)高抗干擾能力、速度快、精度高、測控范圍廣、信號完整性好、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，實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)采集單元，并可實現(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。數(shù)據(jù)采集卡原理框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

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)平臺使用，適合中低速、較高精度場的測量應(yīng)用。具有 14 路模擬輸入、1 路計數(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，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)用使本裝置能夠測量微小信號，檢測出狀態(tài)的微小變化，提高了測試精度。同時傳感器的電源地（VSS） 和采集控制的數(shù)字地（GND） 進行隔離，增大抗干擾能力；數(shù)字地（GND） 和模擬地（AGND） 分離，單點接地以消除回路干擾。

RTD 采集：外部模擬信號由 PT1～PT6 接入，經(jīng)過數(shù)字電橋、濾波、隔離模擬放大器、運放放大器等調(diào)整電路進入 ADC，AD 控制時序由 STM32 完成。

AI 采集：外部模擬信號由 AI0～AI5、AI12、AI13 接入，電路分壓、濾波、隔離模擬放大器、運放放大器等調(diào)整電路進入 ADC，AD 控制時序由 STM32 完成。

電壓采集：外部模擬信號由 AI10、AI11 接入，電路分壓、濾波、隔離模擬放大器、運放放大器等調(diào)整電路進入 ADC，AD 控制時序由STM32 完成。

計數(shù)測頻原理：采用定時器輸入捕獲原理對頻率信號進行采集。

增量式編碼器電路：采用定時器的編碼器接口模式對信號進行采集，依據(jù)單位時間內(nèi)，根據(jù)脈沖走過的距離計算實際速度，這里采用10ms 定時器中斷。

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，采集數(shù)據(jù)的速度可達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，實現(xiàn)信號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模塊實可提供2～4個數(shù)據(jù)收發(fā)端口，每個端口都可以收發(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模塊檢測到某個端口沒有外部連接，則自動閉合此端口，數(shù)據(jù)將自動回環(huán)并轉(zhuǎn)發(fā)到下一個端口。

ESC 使用兩種物理層接口模式：MII 和EBUS。MII是標準的以太網(wǎng)物理層接口，使用外部物理層芯片，一個端口的傳輸延時約為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。

采集卡實物如圖5 所示。

3 軟件設(shè)計

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

軟件并行實時采集多路ADC 的采樣值，對采樣值進行分析、濾波、校正、計算后，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)實時傳輸?shù)紼therCAT主站設(shè)備。軟件可實現(xiàn)移植，同一軟件可在多個采集設(shè)備中運行，開發(fā)成本低。

4 測試與應(yīng)用

本采集卡可直接和計算機以太網(wǎng)口相連，構(gòu)成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領(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)用場合為：信號采集（扭矩、振動、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、頻率、流量）、電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測、脈沖計數(shù)、頻率測量、增量式編碼器測量。

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

2） 計數(shù)測頻：通道數(shù)：1 通道；最高計數(shù)頻率1MHz；分辨率：16 位；計數(shù)方式：輸入捕獲；計數(shù)范圍：0～（2^16-1） ；測頻：對計數(shù)器信號自動測量； 測頻占空比：1%～99%；測量頻率范圍：30Hz～1MHz。

3） 增量式編碼器：通道數(shù)：1 通道；分辨率：16 位；計數(shù)方式：編碼器輸入；計數(shù)范圍：0～（2^16-1） ；增量式測量：對計數(shù)器信號自動測量；誤差：±1r/s。

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

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

本采集卡在乘用車高速性能試驗臺和電動汽車傳動系統(tǒng)測試平臺中進行了實際應(yīng)用，取代了原有的進口數(shù)據(jù)采集卡，取得了良好的效果。數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用場景和效果如圖7所示。

系統(tǒng)采集加載電機的5路溫度、1路扭矩信號、2 路振動信號，與其他采集卡組成測控系統(tǒng)。實際測試效果為：誤差值與同類型的國外品牌倍福進行比較，溫度值誤差在±0.2℃，扭矩誤差在±0.1N.m，振動誤差在0.01mm/s，可以滿足試驗臺的測試需求。

經(jīng)過60天的不間斷測試，采集卡運行穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

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