CN107219392B - 一种实时电流信号数据处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时电流信号数据处理系统，包括分流电阻Rshunt、电流采集模块、16位并行ADC、FPGA控制模块，其中分流电阻Rshunt设置在电流采集模块的两输入端之间，电流采集模块通过并行ADC连接到FPGA控制模块。本发明相比现有技术具有以下优点：本次设计使用并行ADC和FPGA的组合，达到了高精度、速度快、实时性好的效果，由于无需用精度高的电流互感器，所以整体成本较低，且占用PCB空间小，有利于布线以及降低PCB的集成度，具有良好的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种高精度高速的实时电流信号检测系统。
背景技术
在现今的电力电子技术领域中，在某些应用场景下需要依靠电流信号做一些智能控制，特别的一些智能控制所依靠的判断依据是高精度、高速、实时的电流信号，因此提供高精度、高速、实时的电流信号是智能控制的核心。在现今的技术中，大多数采用的技术方案是利用电流互感器或者霍尔传感器检测电流，再由串行ADC进行采集，然后送人单片机进行信号处理。
然而这种技术存在着很多不足，第一采用电流互感器会增加成本，精度高的电流互感器的价格会高于系统中核心芯片的价格，而且电流互感器体积较大，会占用大量PCB面积，不利于布线以及降低PCB的集成度。第二串行ADC的输出速度以及单片机的处理速度较慢，因此串行ADC和单片机的组合满足不了高速度、实时性的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种精度高、速度快、实时性好的实时电流信号数据处理系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种实时电流信号数据处理系统，包括分流电阻Rshunt、电流采集模块、16位并行ADC、FPGA控制模块，其中分流电阻Rshunt设置在电流采集模块的两输入端之间，电流采集模块通过并行ADC连接到FPGA控制模块。
作为优选的技术方案，所述并行ADC为16位并行ADC。
作为优选的技术方案，所述电流采集模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、电阻R1、R2，分流电阻Rshunt上下两端分别接入第一运算放大器的Vp和Vn端，电阻R1第一端接第二运算放大器U2的输出端，第二端接电阻R2的第一端，且电阻R1的第二端同时接入第二运算放大器的V-端，电阻R2的第二端接地，第一运算放大器的输出端接第二运算放大器U2的V+端，运算放大器U2的输出端接入并行ADC的Vin端，并行ADC的数据端接入FPGA控制模块。
作为优选的技术方案，第一运算放大器的增益选用固定增益G＝20。
作为优选的技术方案，所述电流采集模块包括还电容C1、C2、C3、C4，电容C1、C2是第一运算放大器的旁路电容，电容C3、C4是第二运算放大器的旁路电容，电容C1、C2上端接VCC，下端接地，电容C3、C4上端接-VEE，下端接地。
作为优选的技术方案，第二运算放大器的增益放大倍数为G＝1+R1/R2。
作为优选的技术方案，最大分流电阻Rshunt值的选择按照公式：(第一运算放大器U1的最大满幅输出/第一运算放大器U1的增益)/最大负载电流。。
该数据处理系统的数据处理过程如下：待检测电流信号流过分流电阻Rshunt，分流电阻Rshunt两端产生微弱的压降，第一运算放大器放大该微弱的压降，第一运算放大器输出端输出的电流信号Vout1仍然很小，第二运算放大器对第一运算放大器输出端输出的电流信号Vout1进行二次放大，二次放大后的第二运算放大器的输出端输出的电流信号Vout2被并行ADC采集，并行ADC将采集到的二进制数据直接用并行的方式送入FPGA控制模块中，FPGA控制模块对并行数据进行处理。
作为优选的技术方案，第二运算放大器放大的倍数根据第一运算放大器输出端输出的电流信号的大小以及并行ADC的满量程确定，使放大以后的信号尽量接近并行ADC的满量程。
本发明相比现有技术具有以下优点：本次设计使用并行ADC和FPGA的组合，达到了高精度、速度快、实时性好的效果，由于无需用精度高的电流互感器，所以整体成本较低，且占用PCB空间小，有利于布线以及降低PCB的集成度，具有良好的市场前景。
附图说明
图1是本发明实时电流信号数据处理系统的总体系统框图；
图2是本发明实时电流信号数据处理系统的电路结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明实时电流信号数据处理系统可进行单/双向电流检测，包括分流电阻Rshunt、电流采集模块、16位并行ADC、FPGA控制模块。其中分流电阻Rshunt设置在电流采集模块的两输入端之间，电流采集模块通过16位并行ADC连接到FPGA控制模块。
该实施例中，采用了16位并行ADC，当然，本领域的一般技术人员可以了解，若使用16位以上的并行ADC能够进一步提高本系统的采集精度。
该系统采用并行ADC和FPGA的组合，无需传统的电流互感器，也不需要再使用传统的单片机进行数据处理，而是使用FPGA进行并行处理，因此该系统满足高精度、高速度、实时性强的特点。
参阅图2，是电路结构示意图。所述电流采集模块包括运算放大器U1、U2、电容C1、C2、C3、C4、电阻R1、R2。各部分连接关系如下：
分流电阻Rshunt上下两端分别接入运算放大器U1的Vp和Vn端，电容C1、C2是运算放大器U1的旁路电容，电容C3、C4是运算放大器U2的旁路电容，电容C1、C2上端接VCC，下端接地，电容C3、C4上端接-VEE，下端接地，电阻R1第一端接运算放大器U2的输出端，第二端接电阻R2的第一端，且电阻R1的第二端同时接入运算放大器U2的V-端，电阻R2的第二端接地，运算放大器U1的输出端接运算放大器U2的V+端，运算放大器U2的输出端接入16位并行ADCU3的Vin端，16位并行ADC U3的16位数据端D1-D16接入FPGA芯片U4。
该实施例中，运算放大器U1选用固定增益G＝20，高共模输入电压范围的运算放大器，共模输入电压范围-2V～65V；运算放大器U1和运算放大器U2共同接入正电源电压VCC以及负电压-VEE，运算放大器U1的作用是对分流电阻Rshunt两端的差分弱电压进行G＝20倍放大输出，运算放大器U2由电阻R1、R2组成反馈电路，放大倍数为G＝1+R1/R2，运算放大器U2的作用是对运算放大器U1的输出端输出的电流信号Vout1进行二次放大，且放大的倍数根据需要可以对R1、R2的阻值进行灵活修改。二次放大的目的是尽可能使运算放大器U2的输出端输出的电流达到16位并行ADC U3的满量程输入电压范围。
最大分流电阻Rshunt值的选择应按照公式：运算放大器U1的最大满幅输出/运算放大器U1的增益)/最大负载电流。假如使用的运算放大器U1的的最大满幅输出是4.9V(运算放大器的datasheet中会给出)，其增益是20，要测的电流信号最大是0.2A，那么最大Rshunt值应该是：
(4.9V/20)/0.2A＝1.225Ω；分流电阻Rshunt优选的选择汽车级高精度电阻。
该数据处理系统的数据处理过程如下：待检测电流信号流过分流电阻Rshunt，分流电阻Rshunt两端产生微弱的压降，运算放大器U1放大该微弱的压降20倍，运算放大器U1输出端输出的电流信号Vout1很小，并没有达到16位并行ADC U3的满量程电压范围，因此需要运算放大器U2对运算放大器U1输出端输出的电流信号Vout1进行二次放大，放大的倍数可以利用待测电流大小进行理论计算，也可以利用示波器进行观察。
利用待测电流大小进行理论计算的过程举例：16位并行ADC U3满量程是±10V，以交流电流为例，假设交流电流幅值电流是±1A，又假设选定的Rshunt＝100毫欧，3A的电流在Rshunt上的压降是±0.1V，经过运算放大器U1放大20倍之后是±2V，此时离±10V还差很多，使用并行ADC U3时一般都会给输入电压的范围留有余量，那就让运算放大器U2放大4倍就行了。使用示波器观察进行放大举例如下：根据运算放大器U1输出端输出的电压信号Vout1的大小，然后确定运算放大器U2的放大倍数，比如16位并行ADC U3的满量程是±10V，示波器观察的Vout1信号幅值是±2V，运算放大器U2的放大倍数是4倍或者4.5倍尽量接近16位并行ADC U3的满量程。二次放大后的运算放大器U2的输出端输出的电压信号Vout2很大，接近16位并行ADC U3的满量程范围，可以充分利用16位并行ADC U3的采集性能，16位并行ADC U3将采集到的16bit二进制数据直接用并行的方式送入FPGA芯片U4中，FPGA芯片U4对16位并行数据进行并转串等一系列数据处理。在这个过程中，流过分流电阻Rshunt的电流可大可小，小到几十mA，大到十几A都能够精确检测。由于运算放大器U2的输出端输出的电压信号Vout2接近16位并行ADC U3的满量程电压范围，以及16位并行ADC U3的16位的并行输出，而且不再使用传统的单片机进行数据处理，而是使用FPGA芯片U4进行并行处理，因此该系统满足高精度、高速度、实时性强的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，包括分流电阻Rshunt、电流采集模块、并行ADC、FPGA控制模块，其中分流电阻Rshunt设置在电流采集模块的两输入端之间，电流采集模块通过并行ADC连接到FPGA控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，所述并行ADC为16位并行ADC。
3.根据权利要求1所述的一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，所述电流采集模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、电阻R1、R2，分流电阻Rshunt上下两端分别接入第一运算放大器的Vp和Vn端，电阻R1第一端接第二运算放大器的输出端，第二端接电阻R2的第一端，且电阻R1的第二端同时接入第二运算放大器的V-端，电阻R2的第二端接地，第一运算放大器的输出端接第二运算放大器U2的V+端，第二运算放大器的输出端接入并行ADC的Vin端，并行ADC的数据端接入FPGA控制模块。
4.根据权利要求3所述的一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，第一运算放大器的增益选用固定增益G＝20。
5.根据权利要求3所述的一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，所述电流采集模块包括还电容C1、C2、C3、C4，电容C1、C2是第一运算放大器的旁路电容，电容C3、C4是第二运算放大器的旁路电容，电容C1、C2上端接VCC，下端接地，电容C3、C4上端接-VEE，下端接地。
6.根据权利要求3所述的一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，第二运算放大器的增益放大倍数为G＝1+R1/R2。
7.根据权利要求3所述的一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，最大分流电阻Rshunt值的选择按照公式：(第一运算放大器的最大满幅输出/第一运算放大器的增益)/最大负载电流。
8.根据权利要求3所述的一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，该数据处理系统的数据处理过程如下：待检测电流信号流过分流电阻Rshunt，分流电阻Rshunt两端产生微弱的压降，第一运算放大器放大该微弱的压降，第一运算放大器输出端输出的电流信号Vout1仍然很小，第二运算放大器对第一运算放大器输出端输出的电流信号Vout1进行二次放大，二次放大后的第二运算放大器的输出端输出的电流信号Vout2被并行ADC采集，并行ADC将采集到的二进制数据直接用并行的方式送入FPGA控制模块中，FPGA控制模块对并行数据进行处理。
9.根据权利要求8所述的一种实时电流信号数据处理系统，其特征在于，第二运算放大器放大的倍数根据第一运算放大器输出端输出的电流信号的大小以及并行ADC的满量程确定，使放大以后的信号尽量接近并行ADC的满量程。
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