基于单片机的车载超级电容测试系统设计与实现
日期:2007-4-241.3 各主要模块的实现本测试系统分别采用四块电路板,以实现三大功能模块——采集模块、中央处理模块和电源管理模块。即电压采集与初调理板、中央处理板以及电源板,下边着重介绍电压、电流采集模块和中央处理模块的实现。1.3.1 采集模块的实现采集模块包括总线电流的采集、总线电压的采集两个部分,图2即为电流采集原理图,采用霍尔电流传感器隔离被测系统,比传统的基于电阻采样的电流分压电路精度高,安全性能好,抗干扰能力强,本文选用honywell公司的基于磁补偿原理的霍尔闭环电流传感器csnk591,测量范围±1200a,线性精度达到0.1%,总体精度达到0.5%,响应速度小于1μs,完全满足了系统的要求。采集信号经精密电阻转变为电压信号,再由仪用放大器放大为±5v双极性电压信号,系统选用ad620br仪用放大芯片,该芯片在增益较低时具有较大的共模抑制比(g=10时,共模抑制比最小为100db),能较强地抑制由于温度、电磁噪声等因素引起的共模干扰,放大信号通过op27gs芯片抬升至0-10v单极性信号,经过射极跟随器送至变送器xtr110ku,转为4ma-20ma的电流信号送到中央处理模块,之所以将采集信号转变为4ma-20ma电流信号,是考虑到与工业接口标准的统一,并采用电流传感抗干扰能力强。总线电压的采集同样选用基于磁补偿原理的闭环霍尔电压传感器vsm025a,实现原理与电流采集相同。
1.3.2 中央处理模块实现中央处理模块是测试系统的核心部分,包括mcu和ad单元、模拟信号二次调理单元、故障输出单元和can接口单元等,如图3所示。
采集模块输入的4ma-20ma电流信号首先经过模拟信号二次调理单元,进行信号的变送、隔离、滤波和放大。模拟信号的隔离方式很多,常用的方法为隔离放大器、线性光耦以及电压频率转化,其中隔离放大器和线性光耦隔离电压高、抗干扰能力强、线性度高,但线性光耦隔离线路复杂,需要调整的参数较多,并且当输出电压比较小时,线性度较差,故本文选用bb公司高精度iso124u隔离运算放大器完成输入模拟信号的隔离,隔离后的信号经5阶butterworth低通滤波max280电路过滤高频干扰,随后通过一射极跟随器送出。二次调理后的采集信号,经过12位高速ad7891送至mcu,mcu对数据进行处理并将数据通过can接口传送到上位机,单片机选用stc系列8位高速单片机stc89c58rd+。该单片机具有强抗干扰性,4kv快速脉冲干扰(eft)和高抗静电(esd),可通过6000v静电,很好地满足了超级电容高电压大电流的工作环境,该单片机可实现6时钟模式,在本系统采用24m晶振情况下,单片机工作频率可达到4mips,相当于普通51系列单片机运行速度的4倍。另外,测试系统设置3通道故障诊断输出,能显示欠压、过压、过流等状态,测试系统与上位机采用抗干扰能力强、稳定性好的can通信方式,保证测试系统送入上位机数据的可靠性。
实际系统有模拟±15v,数字±5v,模拟±12v供电需求,电源管理模块在提供系统各部分所需电压的同时,进行模拟、数字电路隔离,从而避免两类电压互相影响,各部分电源入口都增加了tvs保护,防止浪涌电压对系统的损坏,同时在诸多电源入口处设置相应的滤波电路,如在ad供电入口处增加了π形滤波电路,较好地消除电源信号对所供电路的干扰。另外,外部连线均采用屏蔽线,能较强地屏蔽线路传输中的电磁干扰,所有电流板使用型材铝盒包装,采用标准航空接头与外界联线,这样在保护电路板的同时隔离外界磁场。2 测试系统实测结果对比及分析2.1 测试内容实验选定以70a和150a两种模式对两组串联的超级电容组件进行充放电测试,首先,对电容进行恒流充电,当总线电压达到300v时,转为恒压充电,当总线电流降低到10a时进行70a恒流放电,如此循环测试5个周期。2.2 实验结果及分析
图4、图5、图6给出了两种情况下的测试曲线对比,其中,图4表示70a和150a的两种标准测试情况下,电流的变化曲线,图5、图6表示两种情况下,电压曲线特性,可以看出两者的匹配程度很好,电压测试精度高于电流测试精度,这是由于一方面充放电系统本身电压比电流控制精度要高,另一方面电流传感器安置在电容箱体内并且仅靠单体电容,电容充放电时产生的噪声干扰比较严重,同时,霍尔电流传感器孔径较大,穿过电流总线后仍有一定空隙,在一定程度上影响了测试精度,对比各组电流曲线,可以看出随着电流的增大,测试结果的相对误差减小,但绝对误差保持一致,不超过3a。
本文给出一种车载超级电容测试系统,该系统采用基于磁补偿原理的霍尔闭环电流、电压传感器采集总线信号,以抗高压脉冲干扰的stc51高速单片机进行信号处理,并采用仪用放大、电流传输、模拟信号隔离、5阶低通滤波等措施,尽可能地减少信号传输过程的噪音,通过对超级电容组件充放电测试,表明本系统具有抗干扰能力强,检测精度高等优点,能很好的满足车载超级电容高电压大电流环境下的测试要求。