CN103091550A - 一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计，包括：硬件看门狗、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列（FPGA）、存储单元、左光隔离开关、右光隔离开关、左二阶∑-Δ调制器、右二阶∑-Δ调制器、电阻分压档位切换电路、差分运放档位切换电路，所述电阻分压档位切换电路、差分运放档位切换电路、现场可编程门阵列（FPGA）与数字信号处理器(DSP)构成控制系统；本发明实现了宽电压、大电流全量程范围内同步隔离采样的高精度测量，通过同步隔离采样电压、电流信号，基于DSP数学算法实现了高精度的功率、安时和瓦时的计量。

Description

一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计

技术领域

本发明涉及一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计,属于测量控制技术领域。

背景技术

随着国家高技术研究发展计划（863计划）将电动汽车及相关技术列为发展课题，有关成组电池维护设备的研究提上议事日程。电池厂家在对成组电池进行测试的时候，需要对它们串联的模块进行放电总电压、放电总电流、放电功率、放电安时和放电瓦时的计量，从而作为对电池整体性能和使用状况评估的依据。另一方面，作为电池的充电设备也需要测量充电总电压、充电总电流、充电功率、充电安时和充电瓦时的参数，作为充电控制策略的反馈量或者工控机以及上位机显示的内容。

目前传统的成组电池测试设备普遍面临总电压、总电流测量不同步，造成测量数据不一致的缺陷和问题，从而根据电压、电流计算功率和瓦时的数据无法真实反应电池组的实际状态；另一方面，由于成组电池串联的数量变化范围很大，造成需要测量的总电压波动范围宽（0V-1000V），而现有测试设备在宽电压范围内很难达到全量程范围内高精度的指标，甚至不满足宽电压范围测量的需求；此外，由于涉及到高压、大电流的场合都要进行隔离设计，常规的采样电路和控制电路的电气隔离设计复杂，环节众多，影响了测量的线性度，破坏了既有AD芯片的测量精度。例如，现有测量成组电池或者其它直流功率计量技术有两类：一类是使用专门计量芯片，比如CS5460等完成电压、电流的采集，同时内部计算安时和瓦时；另一类是常规方案，使用两片模数转换芯片完成电压、电流的非同步采集，通过单片机等低速处理器完成功率、安时和瓦时的计算；在电气隔离上一般是总电压通过电阻分压进入隔离运放，再进入模数转换芯片芯片，电流的隔离技术方案有两类，一类是使用霍尔传感器，另一类是分流器采样电压进入隔离运放，再进入模数转换芯片。

概括起来，现有技术存在着以下的缺点：

1.专门的计量芯片测量量多，造成对寄存器读写操作的程序复杂；

2.计量芯片的测量误差难以满足宽电压、大电流全量程范围内的高精度要求；

3.受转换时间、实时性要求等影响，计量芯片并不适合在复杂的控制场合；

4.常规设计中两片模数转换芯片难以实现同步采样，由此计算的功率、安时和瓦时不能反映电池组真实状态；

5.常规设计中使用单片机等低速处理器无法满足高速运算及实时更新数据的测量要求；

6.常规设计中使用隔离运放等中间环节，破坏了既有模数转换芯片的线性度，影响了测量精度，而霍尔传感器的灵敏度、精度以及线性度都不及分流器，使用霍尔传感器虽然简约了隔离设计，但牺牲了精度和灵敏度，同时也增大了成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的宽电压、大电流高精度同步隔离采样直流功率计，本发明的一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计旨在解决电池组测试过程中总电压、总电流采样不同步，造成功率、安时和瓦时计量不准确的问题，同时采用了先进的∑-Δ模数转换技术以及优化的隔离措施，简化了采样电路隔离设计的中间环节，确保了采样测量的高线性度，从而满足了在宽电压、大电流全量程范围内电压、电流、功率、安时和瓦时测量的高精度要求。

本发明的整体结构包括：硬件看门狗、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列（FPGA）、存储单元、左光隔离开关、右光隔离开关、左二阶∑-Δ调制器、右二阶∑-Δ调制器、电阻分压档位切换电路、差分运放档位切换电路，所述电阻分压档位切换电路、差分运放档位切换电路、现场可编程门阵列（FPGA）与数字信号处理器(DSP)构成控制系统。

所述硬件看门狗、存储单元分别与DSP连接，所述左光隔离开关、右光隔离开关分别与FPGA连接，所述FPGA与DSP连接，所述左二阶∑-Δ调制器、右二阶∑-Δ调制器分别与FPGA连接，所述电阻分压档位切换电路与左二阶∑-Δ调制器连接，所述差分运放档位切换电路与右二阶∑-Δ调制器连接，所述左光隔离开关与电阻分压档位切换电路连接，所述右光隔离开关与差分运放档位切换电路连接。

所述DSP、FPGA进行模拟信号采样控制和FIR数字滤波，DSP通过左光隔离开关和右光隔离开关实现对电阻分压档位切换电路、差分运放档位切换电路的控制，电压通过电阻分压档位切换电路分档，电流通过差分运放档位切换电路分档，此外本发明增加了硬件看门狗确保了不正常工作时的复位，最后，系统测量的AH、WH将会储存在存储单元中，所有测量参数将通过CAN总线与外部进行数据交换。

所述FPGA驱动左二阶∑-Δ调制器、右二阶∑-Δ调制器对电压、电流进行同步隔离过采样，获得“0”“1”比特流后进行FIR数字滤波，在21us甚至更短的时间内计算出AD转换值。DSP通过并口控制总线从FPGA读取电压、电流瞬时采样值，二者的乘积得到瞬时功率，通过定时Δt内对电压、电流进行积分计算，获得安时、瓦时的值，将AH、WH储存在存储单元中，防止掉电数据丢失以及对历史数据进行累积保存。

本发明的电阻分压档位切换电路由开关S1、开关S2、电阻、电池组、充电机组成，VIN-为左二阶∑-Δ调制器输入负端，VIN+为左二阶∑-Δ调制器输入正端。

本发明的差分运放档位切换电路由分流器、电阻网络1、电阻网络2、调理电路、运算放大器组成。

本发明实现了宽电压、大电流全量程范围内同步隔离采样的高精度测量，通过同步隔离采样电压、电流信号，基于DSP数学算法实现了高精度的功率、安时和瓦时的计量。本发明所表现出的优点如下：

1.通过FPGA控制二阶∑-Δ调制器的启动采样，由于FPGA独有的并行结构，确保了电压、电流采样的同步性；

2.通过简化隔离设计，使用隔离型二阶∑-Δ调制器，省去隔离运放设计，不仅节约了成本和缩小了PCB空间，同时规避了众多中间环节对测量采样电路线性度的影响，本发明的采样电路测量的电压、电流实际值和AD值的线性相关性达到了0.999999%以上；

3.使用DSP对采样电压、电流进行计算，强大的运算能力和高速性能，实现了功率、安时和瓦时的准确计量和实时更新；

4.系统满足了宽电压、大电流全量程范围内高精度要求，实现了功率、安时和瓦时计量的高精度，实现了0-1000V宽电压范围全量程误差≤±0.2V，电流0-600A全量程范围误差≤±0.1A，电压电流同步隔离采样保证了计算的功率、安时和瓦时的有效性，真实地反映了电池组当前状态，其中功率的误差≤±0.02W，在不校准的情况下，安时精度为0.3%，瓦时精度为0.5%；

5.由于系统采用DSP和FPGA作为主控制器，同时简化隔离设计带来PCB做得很小，低至21us及以下的采样时间满足了系统对电压环和电流环的快速响应要求，因此本直流功率计可方便拓展为AC-DC或者DC-DC的控制板。本系统如果作为主控板将大大简化常规的电路设计，实现功能的提升和成本的降低。

附图说明

图1是本发明所述一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计的整体结构示意图；

图2是本发明所述一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计的电阻分压档位切换电路图；

图3是本发明所述一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计的差分运放档位切换电路图；

图4是本发明所述一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计的DSP的程序算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的整体结构包括：硬件看门狗1、数字信号处理器2、现场可编程门阵列5、存储单元3、左光隔离开关4、右光隔离开关6、左二阶∑-Δ调制器7、右二阶∑-Δ调制器8、电阻分压档位切换电路9、差分运放档位切换电路10，所述电阻分压档位切换电路9、差分运放档位切换电路10、现场可编程门阵列5与数字信号处理器2构成控制系统。

所述硬件看门狗1、存储单元3分别与数字信号处理器2连接，所述左光隔离开关4、右光隔离开关6分别与现场可编程门阵列5连接，所述现场可编程门阵列5与数字信号处理器2连接，所述左二阶∑-Δ调制器7、右二阶∑-Δ调制器8分别与现场可编程门阵列5连接，所述电阻分压档位切换电路9与左二阶∑-Δ调制器7连接，所述差分运放档位切换电路10与右二阶∑-Δ调制器8连接，所述左光隔离开关4与电阻分压档位切换电路9连接，所述右光隔离开关6与差分运放档位切换电路10连接。

如图2所示为本发明的电阻分压档位切换电路图，本发明的电阻分压档位切换电路由开关S1、开关S2、电阻、电池组、充电机组成，VIN-为左二阶∑-Δ调制器输入负端，VIN+为左二阶∑-Δ调制器输入正端。本发明的电阻分压档位切换电路9由于不存在开关S1、S2切换时电阻承受电压突变的情况，且对开关的耐压要求很低，解决了现有技术存在的安全隐患。

如图3所示为本发明的差分运放档位切换电路图，本发明的差分运放档位切换电路由分流器、电阻网络1、电阻网络2、调理电路、运算放大器组成。本发明的差分运放档位切换电路10能够实现在宽电流范围内电流大小和测量量程的匹配。

如图4所示为系统的DSP的程序算法流程图，主要包括主程序和定时中断程序。主程序中先进行相关外设的初始化，然后读存储单元参数，在每一个参数前后将设置一字节起始校验码和一字节末端校验码进行校验，如果校验成功，则认为参数读写正确，将其赋值给系统测量变量，如果校验失败，则将系统测量变量进行缺省化赋值。DSP通过并行控制数据总线给FPGA发二阶∑-Δ调制器同步采样命令，FPGA启动左二阶∑-Δ调制器、右二阶∑-Δ调制器工作，DSP通过并行数据总线读回初始电压、电流值，此后定时启动。在循环程序里不断重复二阶∑-Δ调制器采样电压、电流计算，瞬时功率计算，CAN接收查询处理，如果满500ms则将测量参数通过CAN总线与外部进行数据交换。

在定时中断程序里，当时间标志累加至积分时间时，进行一次电流的时间积分得到此时的安时，对电压、电流乘积进行时间的积分得到此时的瓦时，将计算后的安时、瓦时写入存储单元存储，防止掉电丢失以及作为历史数据进行累积保存。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计，其特征在于，包括：硬件看门狗、数字信号处理器、现场可编程门阵列、存储单元、左光隔离开关、右光隔离开关、左二阶∑-Δ调制器、右二阶∑-Δ调制器、电阻分压档位切换电路、差分运放档位切换电路，所述电阻分压档位切换电路、差分运放档位切换电路、现场可编程门阵列与数字信号处理器构成控制系统；

所述硬件看门狗、存储单元分别与数字信号处理器连接，所述左光隔离开关、右光隔离开关分别与现场可编程门阵列连接，所述现场可编程门阵列与数字信号处理器连接，所述左二阶∑-Δ调制器、右二阶∑-Δ调制器分别与现场可编程门阵列连接，所述电阻分压档位切换电路与左二阶∑-Δ调制器连接，所述差分运放档位切换电路与右二阶∑-Δ调制器连接，所述左光隔离开关与电阻分压档位切换电路连接，所述右光隔离开关与差分运放档位切换电路连接。

2.根据权利要求1所述的宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计，其特征在于，所述电阻分压档位切换电路由开关S1、开关S2、电阻、电池组、充电机组成。

3.根据权利要求1所述的宽电压与大电流同步隔离采样直流功率计，其特征在于，所述差分运放档位切换电路由分流器、电阻网络1、电阻网络2、调理电路、运算放大器组成。

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