一個新能源汽車測試數據采集卡的設計與實現

萬昭 李楊 李平 楊超

關鍵詞：新能源汽車；測試；數據采集

0 引言

世界范圍內的資源和環境壓力，使新能源汽車在全世界都有巨大的發展潛力，已經成為21世紀汽車工業重要的發展方向[1]。目前新能源汽車中的純電動汽車還存在著速度慢、續航里程短等諸多問題，主要采用提高動力系統中驅動電機的效率、提高車載電池的性能等方式來解決。在整車的開發過程中，需要對整車的運行狀態進行實時的監測、對故障進行診斷、連續記錄整車長時間試驗運行數據、離線分析等[2]。新能源汽車測控技術的重要性也日益突出，它能明顯地縮短汽車的設計周期，降低研發費用，優化汽車的性能，因此開發新能源汽車測試數據采集卡具有非常重要的意義[3-4]。

目前數據采集卡主要是國外的產品和使用國外芯片的產品[4]，研究與開發使用國內芯片的數據采集卡，可以減少對國外技術和產品的依賴，解決國外高速數據采集控制技術卡脖子、供應鏈緊張的問題。

1 原理與框圖

新能源汽車測試數據采集卡利用并行采集、工業現場互聯網EtherCAT、ARM 等技術進行開發，適用于新能源汽車整車的運行狀態實時監測、試驗運行數據記錄、故障診斷、動力與傳動系統測控平臺的數據采集等。采用ARM技術可實現多通道數據高抗干擾能力、速度快、精度高、測控范圍廣、信號完整性好、兼容性好、智能化程度高、具有故障自診斷能力的并行采集及數據通信，實現具有自主知識產權的數據采集單元，并可實現相關單元電路模塊的集成化。除此之外，它通常還具備功耗低、體積小、高可靠性等諸多優點。數據采集卡原理框圖如圖1所示。

2 硬件設計

本數據采集卡是以EtherCAT工業以太網接口的從站設備數據采集卡，適合各種開發平臺使用，適合中低速、較高精度場的測量應用。具有 14 路模擬輸入、1 路計數頻率、1 路增量式編碼器（可差分輸入）等功能；通過 EtherCAT 以太網進行數據傳輸，具有多種同步模式；具有多種通信模式，滿足不同條件工業場合條件下應用。

數據采集卡主要由數采設備與嵌入系統、ESC模塊和電源模塊組成。

2.1 數采設備與嵌入系統

數采設備與嵌入系統包括數采電路、控制電路和通信電路。

數采電路采用全隔離設計，輸入通道采用多通道并行采集方式。多通道并行采集原理如圖2所示。

數采電路包括數字電橋、第一濾波、隔離模擬放大器、比例運算放大器和第二濾波電路，通過數字電橋的應用使本裝置能夠測量微小信號，檢測出狀態的微小變化，提高了測試精度。同時傳感器的電源地（VSS） 和采集控制的數字地（GND） 進行隔離，增大抗干擾能力；數字地（GND） 和模擬地（AGND） 分離，單點接地以消除回路干擾。

RTD 采集：外部模擬信號由 PT1～PT6 接入，經過數字電橋、濾波、隔離模擬放大器、運放放大器等調整電路進入 ADC，AD 控制時序由 STM32 完成。

AI 采集：外部模擬信號由 AI0～AI5、AI12、AI13 接入，電路分壓、濾波、隔離模擬放大器、運放放大器等調整電路進入 ADC，AD 控制時序由 STM32 完成。

電壓采集：外部模擬信號由 AI10、AI11 接入，電路分壓、濾波、隔離模擬放大器、運放放大器等調整電路進入 ADC，AD 控制時序由STM32 完成。

計數測頻原理：采用定時器輸入捕獲原理對頻率信號進行采集。

增量式編碼器電路：采用定時器的編碼器接口模式對信號進行采集，依據單位時間內，根據脈沖走過的距離計算實際速度，這里采用10ms 定時器中斷。

RTD采集電路框圖和電路如圖3所示。

控制電路采集數采電路輸出的信號，采集數據的速度可達250KSPS，控制電路包括STM32芯片、晶振、EEPROM芯片等，控制電路與通信電路和從站控制器連接，實現信號的傳輸與外部中斷的連接，通信電路包括RS485、CAN、SPI接口等。

2.2 ESC 模塊

ESC模塊實現EtherCAT數據鏈路層協議。處理EtherCAT數據幀，并為從站控制裝置提供數據接口。ESC模塊實可提供2～4個數據收發端口，每個端口都可以收發以太網數據幀。數據幀在ESC內部的傳輸順序是固定的，如圖4所示。通常數據從端口0進入ESC，然后按照端口3→端口1→端口0的順序依次傳輸。如果ESC模塊檢測到某個端口沒有外部連接，則自動閉合此端口，數據將自動回環并轉發到下一個端口。

ESC 使用兩種物理層接口模式：MII 和EBUS。MII是標準的以太網物理層接口，使用外部物理層芯片，一個端口的傳輸延時約為500ns。本數據采集卡使用MII物理接口。

2.3 電源模塊

電源模塊分別連接數采設備與嵌入系統和ESC 模塊，分別提供5V、3.3V和1.2V電壓，為各部分電路供電。電源模塊采用9-36V的直流寬電壓輸入，使用濾波和隔離電路提高采集卡的抗干擾能力。

采集卡實物如圖5 所示。

3 軟件設計

數據采集卡驅動程序使用C 和C++，采用KeiluVision5 V5.26.2.0平臺開發。數據采集卡驅動程序框圖如圖6所示。

軟件并行實時采集多路ADC 的采樣值，對采樣值進行分析、濾波、校正、計算后，將處理后的數值通過SPI 或FSMC 通信傳輸到ESC 模塊中，ESC按照EtherCAT 通信格式封裝為數據包，依據通信配置文件XML將數據實時傳輸到EtherCAT主站設備。軟件可實現移植，同一軟件可在多個采集設備中運行，開發成本低。

4 測試與應用

本采集卡可直接和計算機以太網口相連，構成實驗室、產品質量檢測中心等各種領域的數據采集、波形分析和處理系統。也可構成工業生產過程監控系統。它的主要應用場合為：信號采集（扭矩、振動、轉速、壓力、溫度、頻率、流量）、電子產品質量檢測、脈沖計數、頻率測量、增量式編碼器測量。

1） 模擬量輸入：全通道隔離采樣，抗干擾能力強；轉換精度：12 位；非線性誤差：±5LSB；采樣速率：1KSPS～250KSPS；支持單點采樣：10SPS；采樣方式：異步采樣；AD 觸發方式：軟件觸發；時鐘源：內部時鐘觸發；模擬信號輸入方式：單端；測量類型：電壓、電流、電阻；模擬輸入 TVS 保護，防止浪涌噪聲損壞模擬器件。

2） 計數測頻：通道數：1 通道；最高計數頻率1MHz；分辨率：16 位；計數方式：輸入捕獲；計數范圍：0～（2^16-1） ；測頻：對計數器信號自動測量； 測頻占空比：1%～99%；測量頻率范圍：30Hz～1MHz。

3） 增量式編碼器：通道數：1 通道；分辨率：16 位；計數方式：編碼器輸入；計數范圍：0～（2^16-1） ；增量式測量：對計數器信號自動測量；誤差：±1r/s。

系統具有安裝快捷，調整方便、自動化程度高特點，提高了測試效率；采用國產化器件，大幅度降低了試驗綜合成本。

自動化工況保護功能完善，系統具備溫度超限值、振動超限值、停機、開路、短路等保護功能。

本采集卡在乘用車高速性能試驗臺和電動汽車傳動系統測試平臺中進行了實際應用，取代了原有的進口數據采集卡，取得了良好的效果。數據采集卡應用場景和效果如圖7所示。

系統采集加載電機的5路溫度、1路扭矩信號、2 路振動信號，與其他采集卡組成測控系統。實際測試效果為：誤差值與同類型的國外品牌倍福進行比較，溫度值誤差在±0.2℃，扭矩誤差在±0.1N.m，振動誤差在0.01mm/s，可以滿足試驗臺的測試需求。

經過60天的不間斷測試，采集卡運行穩定。

5 結束語

本文在新能源汽車測試數據采集卡的設計與開發中。利用工業以太網EtherCAT、FPGA等技術進行采用模塊化設計和從站結構，便于實現數據采集、傳輸、控制及分析利用一體化，使整個系統便于擴展和應用；通過數字電橋的應用提高了測試精度，采用多種隔離措施，增強了抗干擾能力;采集卡設計基本涵蓋了新能源汽車整車和傳動系統測試領域中的扭矩、振動、轉速、壓力、溫度、頻率、流量等信號，適用于新能源汽車整車特別是傳動系統的各種測試和運行試驗，實現了新能源汽車測試數據采集卡的國產化和測控技術的提升。