CN102989694B

CN102989694B - 一种基于fpga的快速电池分选系统

Info

Publication number: CN102989694B
Application number: CN201210534547.0A
Authority: CN
Inventors: 何可人; 马正华; 陈岚萍; 黄科; 蒋建明; 史兵
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changshu intellectual property operation center Co.,Ltd.
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN102989694A

Abstract

本发明公开一种基于FPGA的快速电池分选系统，包括分别连接处理器、1kHz恒流源、比较器、2kHz恒流源、检相器以及积分型AD转换器的FPGA，1kHz恒流源和2kHz恒流源之间串接比较器，1kHz恒流源连接被测电池，FPGA和被测电池之间连接2kHz恒流源，被测电池两端连接放大器，放大器分别连接带通滤波器和低通滤波器，低通滤波器经第二积分型AD转换器连接FPGA，带通滤波器经检相器连接第一积分型AD转换器；当测试电池电压时，第二积分型AD转换器工作；当测试电池电阻值时，第一积分型AD转换器工作；FPGA对获得的AD值校准运算，运算结果和比较器上下限值进行比较后输出分选结果。

Description

一种基于FPGA的快速电池分选系统

技术领域

本发明涉及一种快速电池分选系统，主要用于电池的内阻和电压的测试和分选，测试信号为1kHz交流信号。

背景技术

随着锂电池、镍氢电池等高效能电池被广泛引用于各领域，对电池的测试检测效率不断提出要求。内阻和电压是主要测试项目。目前的电池检测开始由手工检测开始向自动化测试发展，同时还要求自动化测试系统的效率要高。现在的测试分选系统存在着以下缺陷：1、测试速度慢，2、分选速度慢。速度慢的主要原因是：多数测试仪器的采样部分的积分器和AD转换器是分开的，此外，过多依赖处理器的运算和占用太多的通讯时间，影响了测试效率。

发明内容

本发明的目的是以FPGA为基础，通过利用FPGA硬件逻辑的高速执行速度，减少了处理器的数据处理负担，同时也降低了处理器的通讯时间，最终达到了高速测试和分选的效果。

本发明采用的技术方案是：包括分别连接处理器、1kHz恒流源、比较器、2kHz恒流源、检相器以及积分型AD转换器的FPGA，1kHz恒流源和2kHz恒流源之间串接比较器，1kHz恒流源连接被测电池，FPGA 和被测电池之间连接2kHz恒流源，被测电池两端连接放大器，放大器分别连接带通滤波器和低通滤波器，低通滤波器经第二积分型AD转换器连接FPGA，带通滤波器经检相器连接第一积分型AD转换器；FPGA产生2kHz的信号注入测试端，当有被测电池接入时，1kHz恒流源注入被测电池，在被测电池两端采样直流电压和交流信号，通过放大器将信号放大，当测试电池电压时，第二积分型AD转换器工作；当测试电池电阻值时，第一积分型AD转换器工作；FPGA对获得的AD值校准运算，运算结果和比较器上下限值进行比较后输出分选结果。

本发明的有益效果是：

1、利用FPGA的高度集成化，简化了硬件电路，小型化了设备，降低了功耗还提高了系统的可靠性，降低了系统的故障率。

2、利用FPGA的强大功能，实现各种逻辑控制到校准运算，实现了各种硬件功能的集成，在各个工作状态间的切换直接由FPGA完成，节省了和处理器通讯的时间。

3、自主搭建的积分型AD转换器，将积分器和AD转换器合为一体，提高了响应速度。

4、最大程度长减少了处理器的参与程度，大幅缩减处理器的工作量，提高了处理器对其它事件的响应速度。

5、高速积分型AD将测试和分选合二为一，有效提高测试速度。基于FPGA的快速电池分选系统有效增加了系统的集成度，以硬件逻辑为基础，内建有硬件乘法器，控制、运算、分选都由硬件完成，可以有效提高测试和分选的效率。

附图说明

图1是本发明的结构组成图；

图2是图1中比较器5的组成图；

图3是电池阻抗图；

图4是图1中积分型AD转换器11、12的原理图；

图中：1.FPGA（可编程逻辑器件）；2.处理器；3.分选输出部件；4.1kHz恒流源；5.比较器；6.2kHz恒流源；7.放大器；8.带通滤波器；9.低通滤波器；10.检相器；11.积分型AD转换器；12.积分型AD转换器；13.被测电池；14、15.电容；16、17、18、19.运算放大器；20.电阻；21.被测信号源内阻；22.基准电流源；23.运算放大器；24.积分电容；25.计数器；26.过零比较器。

具体实施方式

如图1所示，整个系统包括FPGA 1（可编程逻辑器件），FPGA 分别连接分选输出部件3和处理器2，FPGA1还和1kHz恒流源4连接，1kHz恒流源4连接被测电池13，FPGA1为1kHz恒流源4提供相位稳定的1kHz基准信号，1kHz恒流源4产生的交流电流注入被测电池13。被测电池13两端连接放大器7，放大器7分别连接带通滤波器8和低通滤波器9，放大器7分别放大被测电池13两端的直流信号和交流信号后，分别进入带通滤波器8和低通滤波器9。经过低通滤波器9的信号交流部分被滤波掉，剩下的直流信号为电池两端的直流电压信号。低通滤波器9经积分型AD转换器12连接FPGA1，带通滤波器8经检相器10连接积分型AD转换器11，检相器10连接FPGA1，积分型AD转换器11也连接FPGA1。当进行电池电压测试时，积分型AD转换器12工作，积分型AD转换器12的转换值由FPGA1计数获得。当进行电阻值测试时，积分型AD转换器11工作，积分型AD转换器11的转换值也由FPGA1计数获得。

FPGA 1和被测电池13之间连接2kHz恒流源6，1kHz恒流源4和2kHz恒流源6之间串接比较器5，比较器5和2kHz恒流源6分别连接FPGA 1。1kHz恒流源4输出1kHz的交流电流，用于测试电池的内阻。2kHz恒流源6输出2kHz的交流电流，用于检测测试线是否完好和被测电池13有没有被接入。比较器5用于检测被测电池13是否被接入，输出信号送入FPGA1。1kHz恒流源4和2kHz恒流源6输出电流I，施加在被测电池13上后，恒流源的输出电压为

Figure 2012105345470100002DEST_PATH_IMAGE001

=

*

；令

=1∠0；

=|

|∠θ; |

|= Am;

的电压表示形式V = Am*sin(ωt+θ)。

比较器5的结构如图2，是用来判断交流信号幅度的，由2个电容14、15和四个运算放大器16、17、18、19组成。电容14、15用于隔离直流信号，运算放大器16、17、18、19是LM339，电阻20是上拉电阻。该型号比较器开漏输出，当输入的1kH交流信号幅度超过Vm或2kHz交流信号幅度超过Vn时，比较器5就会输出低。当有电池接入时，比较器5会输出高，FPGA1接收到高信号就知道被测物被接入了，并控制其它硬件电路进行协同测试。

放大器7的作用是将信号放大，它将交流信号放大很高的倍数，同时直流信号保持较小的放大倍数。带通滤波器8用于滤除1kHz以外的低频和高频噪声，检相器10是将输入信号和参考信号做乘法运算，输入信号Vin = Am*sin(ωt+θ)；ω = 2πf；(f = 1kHz)；参考信号Vref = B*sin(ωt+ψ)；Vo = Vin*Vref = Am*B*[cos(θ-ψ) + cos(2ωt+θ+ψ)]；积分型AD转换器12只对Vo的直流分量Am*B*cos(θ-ψ)进行积分，对交流分量Am*B*cos(2ωt+θ+ψ)不积分。同样原理，用于检测被测电池13的2kHz恒流源6产生的信号，积分型AD转换器12也不积分。

电池阻抗在阻抗平面的分布如图3，是通常的容性和阻性的。电池的内阻主要指电池阻抗的电阻分量部分，当ψ=0°时，AD转换器输出结果为Am*B*cosθ，即阻性分量。当ψ=90°时，可获得容性阻抗分量。对于参考信号Vref的相位角的调整可以由FPGA实现。在系统用于快速分选，只获取电阻分量。

对于电池电压的测量，由于电池电压的幅度（一般锂电池电压为4V左右）远远大于施加在电池上的交流信号幅度（一般在1mV以内），通过低通滤波后，交流信号得到进一步衰减，加上积分器的积分周期是测试波形的周期的整数倍，交流测试信号衰减后的幅度对测量电池电压无影响。

积分型AD转换器的原理是利用电荷平衡原理，积分电容对被测信号积分的电荷量等于基准电流源所泄放掉的电荷，同时对泄放掉的电荷进行计时。如图4，运算放大器23输入输出之间接积分电容24，运算放大器23输入接被测信号源内阻21和基准电流源22，用于移除在积分电容24上的电荷，运算放大器23输出分别接过零比较器26和计数器25。

由于Qc = Qd；Qc是被测信号充电电荷；Qd是基准电流放电电荷；Qc = Ix*T1；Ix被测电流；T1积分时间；Qd = Ir*T2；Ir基准电流，为已知量；T2放电时间；Vx = R*Ix = R*Ir*T2/T1；Vx被测信号；R为信号源内阻，为已知量；T2和T1都可由FPGA计数获得。所以，Vx可以转换为相应的读数值。

一般积分时间T1选择为测试信号频率的整数倍，这样可以有效的抑制交流成份，同时得到完整的若干个信号周期的积分，使得响应得到最快。

整个系统在工作流程如下：由FPGA1产生2kHz的信号注入测试端，直接通过硬件判断是否有电池接入，并把输出信号给FPGA1。当有被测电池13接入时，基于FPGA1的数字信号源产生测试用的1kHz恒流源4注入被测电池13，同时在电池的两端采样直流电压和交流信号，通过增益将信号放大，再通过检相器10将有用信号剥离出来。被测电池13由比较器5检测到并输出信号给FPGA1，同频率不同相位的检相器10用于获取解调出信号，输出信号，同时积分型AD转换器11对其进行积分，把模拟量转换成数字量，积分时间为n个测试信号周期（1mS）。然后FPGA1获得转换的AD值后通过内部硬件乘法器进行校准运算获得电阻值。与此同时电压测试同步进行，电压测量由积分型AD转换器12转换完成，积分时间同样是n个mS，由FPGA1完成校准运算，最后通知与FPGA1相接的处理器2。测试完成后，将结果和比较器上下限值进行比较，最后输出分选信号。在整个过程中整个流程都由硬件完成，由FPGA控制和协同工作，很大程度上降低了处理器的响应时间，减小了处理器的负载，所以所占用的通讯时间和运算时间都很短，在积分时间为5mS的情况下，分选速度可以达到100次/秒的速度以上。

Claims

1.一种基于FPGA的快速电池分选系统，其特征是：包括分别连接处理器（2）、1kHz恒流源（4）、比较器（5）、2kHz恒流源（6）、检相器（10）以及第一、第二积分型AD转换器的FPGA，1kHz恒流源（4）和2kHz恒流源（6）之间串接比较器（5），1kHz恒流源（4）连接被测电池（13），FPGA 和被测电池（13）之间连接2kHz恒流源（6），被测电池（13）两端连接放大器（7），放大器（7）分别连接带通滤波器（8）和低通滤波器（9），低通滤波器（9）经第二积分型AD转换器（12）连接FPGA，带通滤波器（8）经检相器（10）连接第一积分型AD转换器（11）；FPGA产生2kHz的信号注入测试端，通过硬件判断是否有电池接入，当有被测电池（13）接入时，1kHz恒流源（4）注入被测电池（13），在被测电池（13）两端采样直流电压和交流信号，通过放大器（7）将信号放大，当测试电池电压时，第二积分型AD转换器（12）工作；当测试电池电阻值时，第一积分型AD转换器（11）工作；FPGA对获得的AD值校准运算，运算结果和比较器上下限值进行比较后输出分选结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的快速电池分选系统，其特征是：第一、第二积分型AD转换器（11、12）包括运算放大器（23），运算放大器（23）输入输出之间接积分电容（24），运算放大器（23）输入接被测信号源内阻（21）和基准电流源（22），运算放大器（23）输出分别接过零比较器（26）和计数器（25）。