多通道高精度电压的快速采集电路及方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种多通道高精度电压的快速采集电路及方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器；它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。如今燃料电池技术日趋成熟，应用也越来越广，对应的测试环节需求也越发紧迫。在燃料电池测试环节中，最基本也最重要的一项就是单体电压的测试，单体电压能反应燃料电池的工作情况和状态。一个燃料电池电堆一般有很多节单体层叠组合，来满足实际负载需要的燃料电池堆，单体之间实际上是串联关系，需要一个高密度的电压采集装置来测量单体电压。由于燃料电池电堆基本都是很多节单体电池串联而成，这样存在一个问题就是整个的共模电压非常高，受限于采集单元器件限制，电压采集时无法同时采集太多通道，必须减少单台采集通道数量减少，通过多台机器并机实现多通道的采集，这样整机的通道密度必然减低。
3.同样由于高共模电压特性，常规的测试电路由于共模电压的影响，精度难以做到太高，或者像有些方案采用光耦隔离的方式，虽然可以隔离共模电压，但是光耦普遍存在线性度问题，只能保证一段区间精度较好，全采集量程范围内的精度普遍只能到0.1％。
4.多数方案采用的轮询采样方式，先采集一个通道，延时，然后采集下一个通道，这样相当于串行的方式，同一时间只能采样一个通道，比如一个通道采样10毫秒，100个通道采集就至少需要1秒，然后传输到pc端的上位机，还需要占用一定通信时间。
5.由于串联共模电压高，为了采集更多通道，势必把单个通道的电压采集范围仅可能缩小。采集范围窄了能适用的燃料电池型号也会变少，因为燃料电池领域技术不断更新，单体电池电压也有些逐步变高，监控燃料电池电堆的每个单体的电压值，要求采样速度足够快，通道数足够多，单机要达到100甚至更多通道，同时精度要求也比较高。
6.目前市面上的测试方案普遍存在以下问题：单机通道数有限，基本上是36通道或更少，或者单机尺寸做的非常大，整机的通道密度不高；测试精度不够，最高精度在0.1％左右，并且随着采样频率提高，精度会一定程度降低，难以适配高精度的测试要求；采样频率和数据刷新率低，一般做的10khz/通道；电压采集范围窄。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种多通道高精度电压的快速采集电路及方法，其目的是为了解决传统的燃料电磁采集电路的单机通道数有限，整机的通道密度不高，测试精度、采样频率和数据刷新率低，电压采集范围窄，难以适配高精度的测试要求的问题。
8.为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种多通道高精度电压的快速采集电路，包括：
9.电压采集模块，所述电压采集模块设置有多个；
10.fpga，所述fpga分别与每个所述电压采集模块电连接；
11.电源，所述电源与所述fpga电连接；
12.mcu，所述mcu的第一端通过fsmc并行总线与所述fpga电连接；
13.状态指示灯，所述状态指示灯与所述mcu的第二端电连接；
14.计算机，所述计算机通过以太网通信接口与所述mcu的第三端电连接。
15.本发明的实施例还提供了一种多通道高精度电压的快速采集方法，包括：
16.步骤1，将每个差分10选1模拟开关的内部进行通道划分；
17.步骤2，通过fpga控制每个差分10选1模拟开关内部同时采用通道轮询的方式进行燃料电池电压的采集，当每个差分10选1模拟开关内部每轮询一个通道时，每个差分10选1模拟开关同时执行步骤2至步骤4，延时一段时间后，轮询下一个通道，直到轮询完每个差分10选1模拟开关内部的所有通道，fpga得到所有通道的燃料电池采样电压，执行步骤5和步骤6；
18.步骤3，每个差分10选1模拟开关分别对对应的当前通道的燃料电池电压进行50次的电压采样并取平均值后输出至对应的差分放大器，每个差分放大器将输入的燃料电池电压中的共模电压进行去除，得到燃料电池差模电压；
19.步骤4，每个差分放大器将得到的燃料电池差模电压分别输出到对应的a/d转换器中进行模数转换，得到燃料电池采样电压；
20.步骤5，每个a/d转换器通过对应的高速数字隔离器分别将燃料电池采样电压输入fpga；
21.步骤6，fpga通过fsmc并行总线将采集到的所有通道的燃料电池采样电压传输到mcu中；
22.步骤7，mcu通过以太网通信接口将所有通道的燃料电池采样电压传输到计算机中进行显示。
23.本发明的上述方案有如下的有益效果：
24.本发明的上述实施例所述的多通道高精度电压的快速采集电路及方法，采用分组的方式，组间电气隔离，燃料电池单元采用合理的参考点，组内采用轮询采样方式，同时采用fpga做并行控制，电压采集范围宽，单通道达到0
‑
2.5v，通道密度高，单板可以实现200个通道采集，电压采集精度高，电压采样速率快，适用于燃料电池等高密度高精度要求的测试场合。
附图说明
25.图1为本发明的结构示意图；
26.图2为本发明的流程图。
27.【附图标记说明】
[0028]1‑
电压采集模块；2
‑
fpga；3
‑
电源；4
‑
mcu；5
‑
状态指示灯；6
‑
以太网通信接口；7
‑
计算机；8
‑
燃料电池单元；9
‑
第一燃料电池；10
‑
第二燃料电池；11
‑
第五燃料电池；12
‑
第六燃料电池；13
‑
第十燃料电池；14
‑
差分10选1模拟开关；15
‑
差分放大器；16
‑
a/d转换器；17
‑
高速数字隔离器；18
‑
第一开关；19
‑
第二开关。
具体实施方式
[0029]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0030]
本发明针对现有的燃料电磁采集电路的单机通道数有限，整机的通道密度不高，测试精度、采样频率和数据刷新率低，电压采集范围窄，难以适配高精度的测试要求的问题，提供了一种多通道高精度电压的快速采集电路及方法。
[0031]
如图1所示，本发明的实施例提供了一种多通道高精度电压的快速采集电路，包括：电压采集模块1，所述电压采集模块1设置有多个；fpga2，所述fpga2分别与每个所述电压采集模块1电连接；电源3，所述电源3与所述fpga2电连接；mcu4，所述mcu4的第一端通过fsmc并行总线与所述fpga2电连接；状态指示灯5，所述状态指示灯5与所述mcu4的第二端电连接；计算机7，所述计算机7通过以太网通信接口6与所述mcu4的第三端电连接。
[0032]
本发明的上述实施例所述的多通道高精度电压的快速采集电路及方法，采用所述电压采集模块1，高性能的所述差分放大器15和所述a/d转换器16配合相应时序的所述fpga2，来实现高密度、高精度、高共模电压抑制、快速的电压采集，以满足像燃料电池等领域高密度高共模电压的测量需求，亦可用于其他电池或需要采集电压信号的场景。
[0033]
其中，每个所述电压采集模块1包括：燃料电池单元8，所述燃料电池单元8包括第一燃料电池9、第二燃料电池10、第三燃料电池、第四燃料电池、第五燃料电池11、第六燃料电池12、第七燃料电池、第八燃料电池、第九燃料电池和第十燃料电池13；所述第二燃料电池10的负极端与所述第一燃料电池9的正极端电连接；所述第三燃料电池的负极端与所述第二燃料电池10的正极端电连接；所述第四燃料电池的负极端与所述第三燃料电池的正极端电连接；所述第五燃料电池11的负极端与所述第四燃料电池的正极端电连接；所述第六燃料电池12的负极端分别与接地端和所述第五燃料电池11的正极端电连接；所述第七燃料电池的负极端与所述第六燃料电池12的正极端电连接；所述第八燃料电池的负极端与所述第七燃料电池的正极端电连接；所述第九燃料电池的负极端与所述第八燃料电池的正极端电连接；所述第十燃料电池13的负极端与所述第九燃料电池的正极端电连接。
[0034]
本发明的上述实施例所述的多通道高精度电压的快速采集电路及方法，所述电压采集模块1设置有20个，每个所述电压采集模块1中包括10个通道，将每个所述电压采集模块1中的10个通道为一组，组内通道采用轮询的方式进行电压采样，每组之间采用所述高速数字隔离器17做数字隔离，使组和组之间具有电气隔离，完全独立，可以同时采样，提高了采样速率，单机最大电压采集通道数可达200个；假设单个通道的采集电压范围为2.5v，每组的总采集电压范围为25v，将每个所述燃料电池单元8的所述第五燃料电池11的正极与所述第六燃料电池12的负极的连接处作为参考地，每组的总采集电压范围变成
±
12.5v，使所述差分10选1模拟开关14和所述差分放大器15可以正常采集电压并处理，解决了高共模的问题，提高了测量精度，也加大了单通道采集范围，单个通道的采集电压范围可以做到
±
2.5v，能够满足燃料电池更宽的测试范围。
[0035]
其中，每个所述电压采集模块还包括：差分10选1模拟开关，所述差分10选1模拟开关的第一端与所述第一燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第二端与所述第二燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第三端与所述第三燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第四端与所述第四燃料电池的负极端电连接，
所述差分10选1模拟开关的第五端与所述第五燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第六端与所述第六燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第七端与所述第七燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第八端与所述第八燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第九端与所述第九燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第十端与所述第十燃料电池的负极端电连接，所述差分10选1模拟开关的第十一端与所述第十燃料电池的正极端电连接；所述差分10选1模拟开关包括第一开关和第二开关。
[0036]
其中，每个所述电压采集模块还包括：差分放大器，所述差分放大器的第一端与所述第一开关的第一端电连接，所述差分放大器的第二端与所述第二开关的第一端电连接；a/d转换器，所述a/d转换器的第一端与所述差分放大器的第三端电连接；高速数字隔离器，所述高速数字隔离器的第一端与所述a/d转换器的第二端电连接。
[0037]
其中，每个所述电压采集模块的所述高速数字隔离器的第二端分别与对应的所述fpga的端电连接。
[0038]
如图2所示，本发明的实施例还提供了一种多通道高精度电压的快速采集方法，包括：步骤1，将每个差分10选1模拟开关的内部进行通道划分；步骤2，通过fpga控制每个差分10选1模拟开关内部同时采用通道轮询的方式进行燃料电池电压的采集，当每个差分10选1模拟开关内部每轮询一个通道时，每个差分10选1模拟开关同时执行步骤2至步骤4，延时一段时间后，轮询下一个通道，直到轮询完每个差分10选1模拟开关内部的所有通道，fpga得到所有通道的燃料电池采样电压，执行步骤5和步骤6；步骤3，每个差分10选1模拟开关分别对对应的当前通道的燃料电池电压进行50次的电压采样并取平均值后输出至对应的差分放大器，每个差分放大器将输入的燃料电池电压中的共模电压进行去除，得到燃料电池差模电压；步骤4，每个差分放大器将得到的燃料电池差模电压分别输出到对应的a/d转换器中进行模数转换，得到燃料电池采样电压；步骤5，每个a/d转换器通过对应的高速数字隔离器分别将燃料电池采样电压输入fpga；步骤6，fpga通过fsmc并行总线将采集到的所有通道的燃料电池采样电压传输到mcu中；步骤7，mcu通过以太网通信接口将所有通道的燃料电池采样电压传输到计算机中进行显示。
[0039]
本发明的上述实施例所述的多通道高精度电压的快速采集电路及方法，通过所述fpga2控制每个所述差分10选1模拟开关14同时按一定的时间节拍，依次轮询通道1、通道2、
…
、通道10，然后经过对应的所述差分放大器15去掉共模电压，提取出燃料电池差模电压，并平移到参考点，方便所述a/d转换器16进行模数转换，采用的所述差分放大器15的共模抑制比非常高，能达到120db，非常适合高共模电压的场景，所述差分放大器15能抑制电池串上的共模电压，并差分出单节燃料电池电压；每个所述差分放大器15输出经过调理驱动后的燃料电池差模电压到对应的所述a/d转换器16，每个所述a/d转换器16将燃料电池差模电压转换成可量化的数字量，方便读取、运算、传输等处理。所述a/d转换器16为sar型，分辨率为16bit，采样率100ksps，电压测量精度可达万分之二；每组所述电压采集模块1中的所述a/d转换器16均由一个高性能的所述fpga2控制，所述fpga2具备强大的并行逻辑控制功能，能同时控制20组采集通道，所述fpga2和所述a/d转换器16之间通过所述高速数字隔离器17做电气隔离通信；每个所述a/d转换器16通过对应的所述高速数字隔离器17输出燃料电池采样电压到所述fpga2中，每个所述电压采集模块1中的所有通道轮询完毕后，所述
fpga2接收到所有通道的燃料电池采样电压，所述fpga2通过fsmc并行总线将所有通道的燃料电池采样电压传输给所述mcu4，所述mcu4采用以太网通信方式，通过所述以太网通信接口6将所有通道的燃料电池采样电压输入到所述计算机7，通过所述计算机7显示出200个通道的燃料电池采集电压。
[0040]
其中，所述步骤1具体包括：每个差分10选1模拟开关内部的通道划分：将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第一端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第二端电连接，作为第一通道；
[0041]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第二端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第三端电连接，作为第二通道；
[0042]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第三端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第四端电连接，作为第三通道；
[0043]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第四端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第五端电连接，作为第四通道；
[0044]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第五端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第六端电连接，作为第五通道；
[0045]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第六端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第七端电连接，作为第六通道；
[0046]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第七端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第八端电连接，作为第七通道；
[0047]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第八端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第九端电连接，作为第八通道；
[0048]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第九端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第十端电连接，作为第九通道；
[0049]
将差分10选1模拟开关的第一开关的第二端与差分10选1模拟开关的第十端电连接，差分10选1模拟开关的第二开关的第二端与差分10选1模拟开关的第十一端电连接，作为第十通道。
[0050]
其中，所述步骤2具体包括：每个差分10选1模拟开关内部的通道轮询顺序为从第一通道开始到第十通道结束依次轮询。
[0051]
本发明的上述实施例所述的多通道高精度电压的快速采集电路及方法，每组内部采用逐个通道轮询的方式，轮询的方式可以降低电路复杂度，减少电路冗余，提高通道密度，所述a/d转换器16采用的是100ksps，即单次采样时间为10us，为了提升精度，每个通道
每次采样50次后取平均值，相当于单个通道采样时间为500us，另外从一个通道轮询到下一个通道为了确保足够的建立时间，会增加一个几百us左右的延时，最终单个通道采样的时间大概1ms，那么一组通道就是10ms，也就意味着10ms就可以完成200通道的采样，采样速率快。
[0052]
本发明的上述实施例所述的多通道高精度电压的快速采集电路及方法，采用分组的组合方式，分解了由于串联引入的高共模电压，通过所述高速数字隔离器17进行电气隔离，没有损耗和失真，精度更高；所述燃料电池单元8采用一中点作为采样参考点，降低了共模电压，通过所述差分放大器15的采集调理，提高了共模抑制能力，也降低了共模干扰，进一步提高了精度，所述fpga2作为核心控制器件，提升了数据处理能力，提高了采样速率。
[0053]
本发明的上述实施例所述的多通道高精度电压的快速采集电路及方法，所述mcu4：单片机(single
‑
chip microcomputer)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口、中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。
[0054]
所述a/d转换器16：模数转换器，也叫a/d转换器16，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。a/d转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，a/d转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。
[0055]
所述fpga2：现场可编程门阵列，是专用集成电路(asic)中集成度最高的一种，用户可对所述fpga2内部的逻辑模块和i/o模块重新配置，以实现用户的逻辑，因而也被用于对cpu的模拟。用户对所述fpga2的编程数据放在flash芯片中，通过上电加载到所述fpga2中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现系统在线重构，这一特性可以构建一个根据计算任务不同而实时定制的cpu，这是当今研究的热门领域。
[0056]
共模电压：多个输入端上共同存在的对地(或对同一参考点)电压。
[0057]
差模电压：两输入端之间的电压。
[0058]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。