一种基于GD32F450ZET6多路采集系统的设计.pdf

第 期 年 月机电元件 收稿日期：研 究 与 设 计一种基于 多路采集系统的设计邹勇，李鸽，苏伟，郄永学，井占发（苏州御驱电子技术有限公司，江苏苏州，；上海中广核工程科技有限公司，上海，）摘要：为实现某型设备对多路电压和电流信号多路信号采集的功能。设计了一套基于 位 的采集系统，最高可以多达 路信号的采集系统，实现了 路三相电压、路三相电流，路单相电压、电流，路直流电压，路直流电流的采集，共计 路的信号采集。通过 路 通信扩展 个 通道 模块，通过 路 ，分别实现数据通信和程序升级功能。试验结果表明，电压、电流精度小于 。本多信号采样系统体积小，可靠性高，智能化高，满足系统设计要求。关键词：车载电源；多路信号采集 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：。，。，。，：，引言某装备车载电源负责给车上设备、功放、天线等系统提供供电，电源的可靠性关系到整个系统。所以必须对各路电源的工作状态进行实时监测，给总体及时提供各分系统实时状态，电压、电流、相序、有无过欠压、过流等故障，并及时进行故障处理，切断通路。某装备车载电源系统包括直流 路 相四线 交流电，路 伺服功放供电，路单相 供电，并需要状态实时监控和故障诊断和保护。为此设计了一套基于 位 的采集系统，最高可以多达 路信号的采集系统，实现了 路三相电压、路三相电流，路单相电压、电流，路直流电压电流，路板载电压的采集，共计 路的信号采集。通过 路 通信扩展 个 通道 模块，通过 路 ，分别实现数据通信和程序升级功能。系统的构成系统主要由电流传感器模块、电压传感模块，电流电压信号调理电路、模块、电源模块、通信模块等部分组成，如图 所示。电流信号（路三相电流 路单相电流 路直流电流）通过霍尔电流传感器采集后 送到 个 通 道 ，通过两路 通信采集电流信号。电压信号通过隔离采样、信号调理后直接送至 ，软件对采集数据进行处理后，通过 通信发送给上位机，并留有升级程序的 通道。控制 路驱动信号，包括指示灯驱动，继电器驱动等。为了方便数据存储、故障追溯，通过 外扩 片 。电源模块负责外部 转为 给电流传感器供电，把 转成 给 供电 。图 多路采集系统架构图 系统设计 电流电压传感电流传感器考虑到高压电流的采样安全性，采用隔离的霍尔电流传感器，具有低功耗、宽量程、无插入损耗的优点，安装方便，采用 安装方式，供电，根据实际电流大小，选用电流传感器的量程为 ，灵敏度 。路电流信号经信号调理后分别送入两个 通道、采样率、芯片 ，两个 芯片通多独立的 与 通信，通信速率 ，最终实现对每路交流电流每周期 的采样率，是圣邦微电子 年 推出的高速、高性能多通道 采样芯片，性能接近国外一线品牌，非常适合多路信号采集。电压传感采用纳芯微隔离运放芯片 ，隔离工作电压高达 或 ，共模抑制比 ，原副边爬电距离 ，高压侧信号输入范围 （），原副边信号增益 ，非常适合高电压压采样，芯片典型应用如图 。每路三相电压配三个采样芯片，并加一路隔离电源供电，低压侧配合运放调理后直接送入 位 ，合计 路电压信号。模块 兆易创新 ，采用 内核，处理器主频高达 ，可支持算法复杂度更高的嵌入式应用，具备更快速的实时处理能力，并拥有业界领先的大容量存储优势。具有丰富的外设资源特性，可提供多达 个 和 个 ，个 ，个 ，个 ，个 、个 接 口、个 以 太 网 控 制 器，并 支 持 和 通信。还配备了 个采样率高达 的 位高速 和 个 位 。此外集成了 控制器和硬件图形加速器 ，以实现液晶驱动并显著提升显示图像显示画质。还支持 位至 位的 视频接口，便于连接数字摄像头并实现图像采集与传输。片上最多 路 ，路独立 扩展 路 通道 ，总共最高可以支持 路 采样，另外 路 扩展 ，用于 数据存储、故障存储、方便数据追溯。路 ，一路用来通信，把数据上传给上位机，另外一路用来做程序升级。第 期邹勇等：一种基于 多路采集系统的设计图 芯片典型应用图 电源模块系统输入控制电电压范围 ，控制部分 供电需求电流 ，为此选用金升阳 电源模块 ，汽车级输入电压范围 ，输出电压精度 ，线性调整 ，负载调整 ，效率高达 ，的常规隔离电压，允许工作温度 ，具有输入欠压保护，输出短路、过流、过压保护功能，满足汽车标准 标准 级。供电的低噪声 由 从 转成，选用圣邦微电子 ，最大输出电流 ，宽输入范 围 ，低 压 差 ，电 压 调 整 率 ，负载调整率 ，具备电流和热保护功能。通信模块 通信考虑到抗干扰性和安全性，采用隔离方案，路 接口芯片均选用纳芯微隔离 芯片，是 隔 离 式 的 收 发 器，与 标准完全兼容。集成了两通道数字隔离器和一个高性能 收发器，数字隔离器是基于纳芯微电容隔离技术的氧化硅隔离，高度集成的解决方 案 可 以 帮 助 简 化 系 统 设 计 并 提 高 可 靠 性。产品已通过 安全认证，支持 的绝缘耐压，同时具有很高的电磁抗扰度和低辐射。支持 ，数据速率高达 ，并且可以支持至少 个 节点，并提供热保护和传输数据主导超时功能。通信接口处设计了共模电感以提高电路的抗噪声能力，并且加了 以抑制浪涌尖峰并提供 保护。通信接口电路如图 。系统软件设计总体设计，软件整体分两部分：图 通信接口电路图 软件总体结构图 ：运行于底层，用于升级应用层程序机 电 元 件 年和数据。应用层：运行于顶层，用于控制整个控制器的运行，进行信息交互和处理。软件总体架构如图 所示。软件完成功能如下：电压采样直接采用 的 （最多支持 路），路电压采样率达到 ，软件滤波处理。通信，读取各通道电流值，保证 路相电流每相电流 采样率，软件滤波处理。与 通信，数据存储和读取。路电压电流 有效值计算。母线锁相环，相序检测 。各种过压、欠压、过流告警和保护。路 信号处理，。通信。升级。本多路完成采集系统 路信号的采集处理和通信保护，软件周期任务比较饱满，负载率比较高，达到 左右，功能比较强大，满足设计要求。试验数据为了测试系统性能，搭建测试环境。交流 采用调压器供电，交流电子负载作为负载，直流电源作为源，负载选用直流电子负载。上位机实时显示采集数值，上位机见图 ，再跟实际测量值对比，得出测量精度。测试结果见表 ，可以看出电压采样误差在 以内，电流精度在 以内，符合设计要求，电压电流精度在 以内。表 测试结果信号测量值上位机值误差 信号测量值上位机值误差 相电压 相电流 相电压 相电流 相电压 相电流 直流电压 直流电流 直流电压 直流电流 结语本文基于 位 及 通道采样芯片设计 设计了多路信号采集系统，现有架构最多可支持 路信号采样，将来扩展可扩展到至少 路以上的信号采样。该系统实现了，路三相电压、路三相电流，路单相电压、电流，路直流电压电流，路板载电压的采集，电压采样率高达 ，电流采样率高达 ，有效值计算、过欠压、过流保护，通信、程序升级等功能。采用隔离采样，可靠性好，扩展性好，已经用于某车载多通道电源采集及控制系统，具有较高的工程价值。参考文献：刘明辉，周刚，陆爱杰，桂凡 一种高精度多路信号采集系统的设计国外电子测量技术 徐晓霞 基于 的电压采集系统设计 电子设计工程，（）：赵一帆，管雪元，刘雨顺 基于 的多路采集系统设计 电子测量技术，（）：，：，刘晖，李多山 基于数字锁相技术的交流采样及其信号处理 电气技术，第 期邹勇等：一种基于 多路采集系统的设计