一个新能源汽车测试数据采集卡的设计与实现

万昭 李杨 李平 杨超

关键词：新能源汽车；测试；数据采集

0 引言

世界范围内的资源和环境压力，使新能源汽车在全世界都有巨大的发展潜力，已经成为21世纪汽车工业重要的发展方向[1]。目前新能源汽车中的纯电动汽车还存在着速度慢、续航里程短等諸多问题，主要采用提高动力系统中驱动电机的效率、提高车载电池的性能等方式来解决。在整车的开发过程中，需要对整车的运行状态进行实时的监测、对故障进行诊断、连续记录整车长时间试验运行数据、离线分析等[2]。新能源汽车测控技术的重要性也日益突出，它能明显地缩短汽车的设计周期，降低研发费用，优化汽车的性能，因此开发新能源汽车测试数据采集卡具有非常重要的意义[3-4]。

目前数据采集卡主要是国外的产品和使用国外芯片的产品[4]，研究与开发使用国内芯片的数据采集卡，可以减少对国外技术和产品的依赖，解决国外高速数据采集控制技术卡脖子、供应链紧张的问题。

1 原理与框图

新能源汽车测试数据采集卡利用并行采集、工业现场互联网EtherCAT、ARM 等技术进行开发，适用于新能源汽车整车的运行状态实时监测、试验运行数据记录、故障诊断、动力与传动系统测控平台的数据采集等。采用ARM技术可实现多通道数据高抗干扰能力、速度快、精度高、测控范围广、信号完整性好、兼容性好、智能化程度高、具有故障自诊断能力的并行采集及数据通信，实现具有自主知识产权的数据采集单元，并可实现相关单元电路模块的集成化。除此之外，它通常还具备功耗低、体积小、高可靠性等诸多优点。数据采集卡原理框图如图1所示。

2 硬件设计

本数据采集卡是以EtherCAT工业以太网接口的从站设备数据采集卡，适合各种开发平台使用，适合中低速、较高精度场的测量应用。具有 14 路模拟输入、1 路计数频率、1 路增量式编码器（可差分输入）等功能；通过 EtherCAT 以太网进行数据传输，具有多种同步模式；具有多种通信模式，满足不同条件工业场合条件下应用。

数据采集卡主要由数采设备与嵌入系统、ESC模块和电源模块组成。

2.1 数采设备与嵌入系统

数采设备与嵌入系统包括数采电路、控制电路和通信电路。

数采电路采用全隔离设计，输入通道采用多通道并行采集方式。多通道并行采集原理如图2所示。

数采电路包括数字电桥、第一滤波、隔离模拟放大器、比例运算放大器和第二滤波电路，通过数字电桥的应用使本装置能够测量微小信号，检测出状态的微小变化，提高了测试精度。同时传感器的电源地（VSS） 和采集控制的数字地（GND） 进行隔离，增大抗干扰能力；数字地（GND） 和模拟地（AGND） 分离，单点接地以消除回路干扰。

RTD 采集：外部模拟信号由 PT1～PT6 接入，经过数字电桥、滤波、隔离模拟放大器、运放放大器等调整电路进入 ADC，AD 控制时序由 STM32 完成。

AI 采集：外部模拟信号由 AI0～AI5、AI12、AI13 接入，电路分压、滤波、隔离模拟放大器、运放放大器等调整电路进入 ADC，AD 控制时序由 STM32 完成。

电压采集：外部模拟信号由 AI10、AI11 接入，电路分压、滤波、隔离模拟放大器、运放放大器等调整电路进入 ADC，AD 控制时序由STM32 完成。

计数测频原理：采用定时器输入捕获原理对频率信号进行采集。

增量式编码器电路：采用定时器的编码器接口模式对信号进行采集，依据单位时间内，根据脉冲走过的距离计算实际速度，这里采用10ms 定时器中断。

RTD采集电路框图和电路如图3所示。

控制电路采集数采电路输出的信号，采集数据的速度可达250KSPS，控制电路包括STM32芯片、晶振、EEPROM芯片等，控制电路与通信电路和从站控制器连接，实现信号的传输与外部中断的连接，通信电路包括RS485、CAN、SPI接口等。

2.2 ESC 模块

ESC模块实现EtherCAT数据链路层协议。处理EtherCAT数据帧，并为从站控制装置提供数据接口。ESC模块实可提供2～4个数据收发端口，每个端口都可以收发以太网数据帧。数据帧在ESC内部的传输顺序是固定的，如图4所示。通常数据从端口0进入ESC，然后按照端口3→端口1→端口0的顺序依次传输。如果ESC模块检测到某个端口没有外部连接，则自动闭合此端口，数据将自动回环并转发到下一个端口。

ESC 使用两种物理层接口模式：MII 和EBUS。MII是标准的以太网物理层接口，使用外部物理层芯片，一个端口的传输延时约为500ns。本数据采集卡使用MII物理接口。

2.3 电源模块

电源模块分别连接数采设备与嵌入系统和ESC 模块，分别提供5V、3.3V和1.2V电压，为各部分电路供电。电源模块采用9-36V的直流宽电压输入，使用滤波和隔离电路提高采集卡的抗干扰能力。

采集卡实物如图5 所示。

3 软件设计

数据采集卡驱动程序使用C 和C++，采用KeiluVision5 V5.26.2.0平台开发。数据采集卡驱动程序框图如图6所示。

软件并行实时采集多路ADC 的采样值，对采样值进行分析、滤波、校正、计算后，将处理后的数值通过SPI 或FSMC 通信传输到ESC 模块中，ESC按照EtherCAT 通信格式封装为数据包，依据通信配置文件XML将数据实时传输到EtherCAT主站设备。软件可实现移植，同一软件可在多个采集设备中运行，开发成本低。

4 测试与应用

本采集卡可直接和计算机以太网口相连，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。它的主要应用场合为：信号采集（扭矩、振动、转速、压力、温度、频率、流量）、电子产品质量检测、脉冲计数、频率测量、增量式编码器测量。

1） 模拟量输入：全通道隔离采样，抗干扰能力强；转换精度：12 位；非线性误差：±5LSB；采樣速率：1KSPS～250KSPS；支持单点采样：10SPS；采样方式：异步采样；AD 触发方式：软件触发；时钟源：内部时钟触发；模拟信号输入方式：单端；测量类型：电压、电流、电阻；模拟输入 TVS 保护，防止浪涌噪声损坏模拟器件。

2） 计数测频：通道数：1 通道；最高计数频率1MHz；分辨率：16 位；计数方式：输入捕获；计数范围：0～（2^16-1） ；测频：对计数器信号自动测量； 测频占空比：1%～99%；测量频率范围：30Hz～1MHz。

3） 增量式编码器：通道数：1 通道；分辨率：16 位；计数方式：编码器输入；计数范围：0～（2^16-1） ；增量式测量：对计数器信号自动测量；误差：±1r/s。

系统具有安装快捷，调整方便、自动化程度高特点，提高了测试效率；采用国产化器件，大幅度降低了试验综合成本。

自动化工况保护功能完善，系统具备温度超限值、振动超限值、停机、开路、短路等保护功能。

本采集卡在乘用车高速性能试验台和电动汽车传动系统测试平台中进行了实际应用，取代了原有的进口数据采集卡，取得了良好的效果。数据采集卡应用场景和效果如图7所示。

系统采集加载电机的5路温度、1路扭矩信号、2 路振动信号，与其他采集卡组成测控系统。实际测试效果为：误差值与同类型的国外品牌倍福进行比较，温度值误差在±0.2℃，扭矩误差在±0.1N.m，振动误差在0.01mm/s，可以满足试验台的测试需求。

经过60天的不间断测试，采集卡运行稳定。

5 结束语

本文在新能源汽车测试数据采集卡的设计与开发中。利用工业以太网EtherCAT、FPGA等技术进行采用模块化设计和从站结构，便于实现数据采集、传输、控制及分析利用一体化，使整个系统便于扩展和应用；通过数字电桥的应用提高了测试精度，采用多种隔离措施，增强了抗干扰能力;采集卡设计基本涵盖了新能源汽车整车和传动系统测试领域中的扭矩、振动、转速、压力、温度、频率、流量等信号，适用于新能源汽车整车特别是传动系统的各种测试和运行试验，实现了新能源汽车测试数据采集卡的国产化和测控技术的提升。