CN102944737B - 一种测量大电流的智能传感器 - Google Patents

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Abstract

一种测量大电流的智能传感器，其大功率采样电阻（R1）将电流信号转换成电压信号。信号处理滤波电路对所转换的电压信号处理和滤波，送入AD芯片（U9）。温度测量模块采用NTC热电阻（R23）测量大功率采样电阻的温度，用于对大功率采样电阻的温度补偿。所述的AD 芯片将测量信号处理滤波电路输出电压和NTC热电阻的温度值转换成数字信号，并进行数字滤波处理，电压和温度的数字信号通过光耦隔离的SPI通信接口送至外部主CPU。数字隔离及DC/DC转换模块实现SPI通信数字信号的隔离，并给信号处理滤波电路、温度测量模块、带有CPU处理器的A/D转换芯片供电。主CPU及CAN通讯模块接收外部指令，并发送电流测量值的数字信号。

Description

一种测量大电流的智能传感器
技术领域
本发明涉及用一种测量高压大电流的传感器。
背景技术
在工业技术领域、电动汽车领域常常需要对大电流进行测量，电流动态范围常常在-1000A~+1000A。目前比较常用的方法是采用霍尔传感器、分流器进行测量,使用过程中还需要对模拟信号进一步处理。专利CN1442696“用于电动车辆的电池电流测量系统”，采用的是霍尔传感器，将霍尔输出的模拟电压转换成PWM波形输出。专利CN1442696的缺点是霍尔传感器测量的线性度会随着时间的变化而变化，很难做到长时间高精度测量，使用中还需要对PWM波形进行处理。专利CN1193386“电流测量的分流组件”，采用的是分流器测量电流。专利CN1397963“采用大变比电流互感器的电流测量装置及测量方法”采用电流互感器测量大电流的方法。分流器的测量方式需要隔离，且没有温度补偿精度不高。因此怎样精确快速地测量电流值，是一个难点。
发明内容
本发明的目的是克服现有测量大电流的技术缺点，提出一种精度高，使用方便的数字智能传感器。本发明利用温度补偿技术，修正由于大电流流过采样电阻，造成采样电阻发热而产生的阻值的温度漂移，提高测量精度。同时利用AD转换器自带的CPU对数字信号进行滤波处理，提高测量精度。本发明使用在高精度大电流测量场合，能减少用户的设计难度，大大提高开发速度。本发明测量电流最大范围可到-1000A～+1000A。
本发明智能传感器包括大功率采样电阻、信号处理滤波电路、温度测量模块、带有CPU处理器的AD芯片、数字隔离及DC/DC转换模块，以及主CPU及CAN通讯模块。待测量的大电流通过所述的大功率采样电阻，在大功率采样电阻的两端产生电压值，所述的电压值经过信号数字滤波电路模块滤波后进入带有CPU处理器的AD 芯片的电流测量通道。温度测量模块中的NTC热敏电阻固定在大功率采样电阻表面，NTC热敏电阻的电压值直接输入带有CPU处理器的AD芯片的温度测量通道。带有CPU处理器的AD芯片的SPI接口和数字隔离模块连接。数字隔离模块和主CPU及CAN通讯模块连接，最后主CPU及CAN通讯模块将测量得到的电流值的数字信号通过CAN通讯接口输出。
大功率采样电阻是定制的高精度、大功率、较小温漂系数的精密电阻。可以通过实验确定它的电阻值和温度关系曲线图，将此电阻值和温度关系曲线图存储在带有CPU处理器的AD芯片中。在实际测量中可根据此大功率采样电阻上的温度，对此大功率采样电阻的阻值进行标定，提高测量精度。
信号处理滤波电路是由电阻和电容构成的RC滤波电路。它对大功率采样电阻输出的电压值进行滤波处理，提高电流测量的抗干扰能力。
温度测量模块使用NTC热敏电阻测量大功率采样电阻上的温度。NTC热敏电阻和另一精密电阻串联分压，带有CPU处理器的AD芯片的温度测量通道测量NTC热敏电阻两端的电压变化，计算得出大功率采样电阻的温度。计算得到的大功率采样电阻的温度，用来对大功率采样电阻的阻值进行温度漂移校准，提高电流测量精度。
带有CPU处理器的AD 芯片的电流测量通道将大功率采样电阻的电压值进行AD转换，温度测量通道将NTC热电阻上电压进行AD转换。带有CPU处理器的AD芯片根据大功率采样电阻上的电压计算出流过大功率采样电阻上的电流。带有CPU处理器的AD芯片的温度测量通道根据NTC热敏电阻两端电压值，测量得到大功率采样电阻表面的温度。由于大功率采用电阻的阻值会随着温度的变化而发生变化，为了得到在不同温度下大功率采样电阻精确的电阻值，利用事先经实验确定并存入带有CPU处理器的AD芯片的电阻值和温度关系曲线图，可得到在不同温度下大功率采样电阻的实际阻值，最终能对带有CPU处理器的AD芯片计算出的电流值进行标定。带有CPU处理器的AD芯片对采样的电流值进行数字滤波。通过对电流值的标定和滤波处理，大大提高电流测量的精度。
数字隔离及DC/DC转换模块包含隔离DC/DC电源芯片和SPI数字隔离光耦两部分，实现SPI通讯的数字隔离，通过DC/DC转换模块给信号处理滤波电路、温度测量模块、带有CPU处理器的AD芯片供电。数字隔离通过SPI数字隔离光耦实现，隔离电源通过隔离DC/DC电源芯片实现。
主CPU及CAN通讯模块通过隔离SPI实现对电流测量值数字信号的读取，并通过CAN口及CAN收发芯片将测得的电流数字信号发送出去。主CPU也可实现接收外部控制信号，改变电流数据发送的频率。
附图说明
图1是本发明结构原理框图；
图2是大功率采样电阻、信号处理、温度测量、带有CPU处理器的AD 芯片电路原理图；
图3是数字隔离及DC/DC转换模块中的隔离DC/DC 芯片原理图；
图4是数字隔离及DC/DC转换模块中的SPI数字隔离光耦原理图；
图5是主CPU和CAN通讯模块中的主CPU原理图；
图6是主CPU和CAN通讯模块中的CAN通讯模块收发原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1是本发明结构框图。大电流通过采样电阻R1，产生与电流大小成正比的电压，这个电压通过信号处理滤波电路后，进入带有CPU处理器A/D 芯片U9的电流测量通道。NTC热敏电阻固定在采样电阻的表面，测量大功率采样电阻R1表面的温度信号，所述的大功率采样电阻R1表面的温度信号进入带有CPU处理器A/D芯片U9的温度测量通道。带有CPU处理器A/D芯片U9将测量得到的电流值，通过SPI通讯接口和外部通讯。数字隔离、DC/DC转换模块将SPI数字信号隔离后，与主CPU及CAN通讯模块通讯。
图2所示是大功率采样电阻、信号处理滤波电路、温度测量模块、带有CPU处理器的AD 芯片等单元电路或模块的电路原理图。大功率采样电阻R1将流过所述的大功率采样电阻R1的电流信号I转换成电压信号U，电压信号经过信号处理滤波电路，输入带有CPU处理器的AD芯片U9的电流测量通道。温度测量模块通过NTC热敏电阻R23测量大功率采样电阻R1的表面温度，并将温度信号转换成电压信号，输入AD 芯片U9的温度测量通道，测量计算得到的大功率采样电阻R1的温度，用来对大功率采样电阻R1的阻值进行温度漂移校准。电流流过大功率采样电阻R1，在大功率采样电阻R1的两端产生一个和电流成正比的电压，经过第六电阻R14和第七电阻R15进入信号处理滤波电路，经滤波后，输入带有CPU处理器的AD芯片U9的12管脚IIN+端和AD芯片U9的13管脚IIN-端。信号处理滤波电路中，电压信号由第六电阻R14进入U9的12管脚IN+，由第七电阻R15进入U9的13管脚IN-，第一电容C29串接在U9的12管脚IN+和地之间，第二电容C31串接在U9的13管脚IN-和地之间。第三电容C30并联在U9的12管脚IN+和U9的13管脚IN-之间。NTC热敏电阻R23和精密电阻R16串联后接入电源REG_DVDD，第四电容C32和NTC热敏电阻R23并联，起滤波作用。NTC热敏电阻R23的一端接AD 芯片U9的9管脚GND SW,NTC热敏电阻R23的另一端接AD芯片U9的10管脚VTEMP。隔离芯片U4输出+5V电压VISO，经二极管D3及第九电阻R2，接入带有CPU处理器的AD芯片U9的27管脚VDD，第五电容C34，第六电容C36，第七电容C39起电源滤波作用，第五电容C34并联第六电容C36后接U9的27管脚VDD，第7电容C39接电源VISO。AD芯片U9的19管脚输出3.3V电压REG_DVDD，第八电容C35并联第九电容C37起滤波作用,第八电容C35，并联第九电容C37后接U9的19管脚REG_DVDD。REG_DVDD通过第八电阻R24接AD芯片U9的1管脚REST。第十电容C33接AD芯片U9的17管脚，起滤波作用。
图3所示是数字隔离及DC/DC转换模块中DC/DC电压隔离电源芯片U4。DC/DC电压隔离电源芯片U4，将输入的+5V电压VCC转换成隔离的+5V电压VISO，给大功率采样电阻R1、信号处理滤波电路、温度测量模块、带有CPU处理器的AD芯片供电。数字隔离及DC/DC转换模块U4的1管脚和7管脚接输入+5V电压VCC。第十电容C18、第十一电容C19接U4的1管脚和7管脚VDD1，是数字隔离及DC/DC转换模块U4的1管脚输入VCC的滤波电容。第十二电容C14、第十三电容C20接U4的1管脚和7管脚VDD1，是数字隔离及DC/DC转换模块U4的7管脚输入VCC的滤波电容。数字隔离及DC/DC转换模块U4的16管脚输出+5V电压VISO，数字隔离及DC/DC转换模块U4的13管脚、10管脚分别接VISO。
图4是数字隔离及DC/DC转换模块中的SPI数字隔离光耦原理图。光耦U3,U1,U6对带有CPU处理器的AD芯片输出的SPI数字信号进行隔离。SPI数字隔离第一光耦U3的3管脚接第一电阻R7的一端，第一电阻R7的另一端接带有CPU处理器的AD芯片U9的24脚MOSI。SPI数字隔离第二光耦U1的3管脚接第二电阻R3，第二电阻R3接带有CPU处理器的AD芯片U9的22脚SCLK。第三光耦U6的3管脚接第三电阻R8，第三电阻R8接带有CPU处理器的AD芯片U9的21管脚SS。第一光耦U3的6管脚OUT通过第十一电阻R9接VCC，6管脚OUT接CPU处理器U2的15管脚MOSI，第二光耦U1的6管脚OUT通过第四电阻R4接VCC，多个所述的VCC连接在一起。6管脚OUT接单片机U2的14管脚SPSCK，第三光耦U6的6管脚OUT通过第五电阻R12接VCC，6管脚OUT接单片机U2的13管脚SS。
图5是主CPU模块。晶振Y1、第十电阻R5、第十四电容C2、第十五电容C3构成晶振电路，给主CPU模块提供时钟。晶振Y1和第十电阻R5并联，分别接U2的6管脚EXTAL和U2的7管脚XTAL，第十四电容C2、第十五电容C3串联在晶振Y1的两端，并接到地GND1。主CPU模块实现隔离SPI通讯和CAN通讯功能。
图6是CAN通讯模块。采用CAN收发器U5将测量得到的电流信号发送出去。CAN收发器U5的1管脚TXD接主CPU的21管脚TXCAN，U5的4管脚RXD接主CPU的22管脚RXCAN。U8是双向TVS，通过双向TVS U8将U5的7管脚CANH和6管脚CANL接地，保护CAN总线不被损坏。U5的1管脚TXD接主CPU的21管脚TXCAN，U5的4管脚RXD接主CPU的22管脚RXCAN。

Claims (2)

1.一种测量大电流的智能传感器，所述的智能传感器中包含大功率采样电阻(R1)、信号处理滤波电路、温度测量模块、带有CPU处理器的AD芯片、数字隔离及DC/DC转换模块，以及主CPU及CAN通讯模块；大功率采样电阻(R1)将流过所述的大功率采样电阻(R1)的电流信号I转换成电压信号U，电压信号经过信号处理滤波电路，输入带有CPU处理器的AD芯片(U9)；温度测量模块通过NTC热敏电阻(R23)测量大功率采样电阻(R1)的表面温度，并将温度信号转换成电压信号，输入所述的AD芯片(U9)；AD芯片(U9)将电流测量的电压信号及温度测量的电压信号转换成数字信号，经过数字滤波后，通过数字隔离及DC/DC转换模块和主CPU及CAN通讯模块通信，主CPU及CAN通讯模块通过隔离SPI接口接收所述的AD芯片(U9)的数字信号，最终通过CAN通讯模块将测量得到的电流信号通过CAN接口发送出去，
其特征在于：
所述的NTC热敏电阻(R23)固定在大功率采样电阻(R1)表面；所述的AD芯片的温度测量通道测量NTC热敏电阻两端的电压变化，计算得出大功率采样电阻(R1)的温度；所计算得到的大功率采样电阻(R1)的温度，用来对大功率采样电阻(R1)的阻值进行温度漂移校准；
所述的数字隔离及DC/DC转换模块中，采用DC/DC电压隔离芯片(U4)将输入的+5V电压VCC转换成隔离的+5V电压VISO，给大功率采样电阻(R1)、信号处理滤波电路、温度测量模块和带有CPU处理器的AD芯片供电；所述的DC/DC电压隔离芯片(U4)的1管脚和7管脚接输入+5V电压VCC；第十电容(C18)、第十一电容(C19)接DC/DC电压隔离芯片(U4)的1管脚VDD1和7管脚VDD1；第十二电容(C14)、第十三电容(C20)接DC/DC电压隔离芯片(U4)的1管脚VDD1和7管脚VDD1；DC/DC电压隔离芯片(U4)的16管脚输出+5V电压VISO，DC/DC电压隔离芯片(U4)的13管脚、10管脚分别接VISO；
所述的数字隔离及DC/DC转换模块中，采用光耦(U3、U1、U6)对带有CPU处理器的AD芯片输出的SPI数字信号进行隔离；SPI数字隔离第一光耦(U3)的3管脚输入端IN-接第一电阻(R7)的一端，第一电阻(R7)的另一端接带有CPU处理器的AD芯片(U9)的24脚MOSI；SPI数字隔离第二光耦(U1)的3管脚输入端IN-接第二电阻(R3)，第二电阻(R3)接AD芯片(U9)的22脚SCLK；第三光耦(U6)的3管脚输入端IN-接第三电阻(R8)，第三电阻(R8)接AD芯片(U9)的21管脚SS；第一光耦(U3)的6管脚OUT通过第十一电阻(R9)接VCC，第一光耦(U3)的6管脚OUT接CPU处理器(U2)的15管脚MOSI，第二光耦(U1)的6管脚OUT通过第四电阻(R4)接VCC；第二光耦(U1)的6管脚OUT接单片机(U2)的14管脚SPSCK，第三光耦(U6)的6管脚OUT通过第五电阻(R12)接VCC，第三光耦(U6)的6管脚OUT接单片机(U2)的13管脚SS。
2.根据权利要求1所述的测量大电流的智能传感器，其特征在采用CAN收发器(U5)发送测量得到的电流信号；CAN收发器(U5)的1管脚TXD接主CPU的21管脚TXCAN，CAN收发器(U5)的4管脚RXD接主CPU的22管脚RXCAN；通过双向TVS(U8)将CAN收发器(U5)的7管脚CANH和6管脚CANL接地。
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