閆亞林 徐亞丹 苗勝

摘 要：為了提高數字信號處理的快速穩(wěn)定性，本文介紹了以 C8051F120單片機為核心控制器，設計了一個具有 DI板卡、DO板卡、AI板卡，AO板卡、通信模塊的數據采集系統(tǒng)，將設計的數據采集系統(tǒng)用于純電動汽車電力驅動測試平臺系統(tǒng)的控制，將數據傳給以 Labview為虛擬儀器的上位機，經過實驗，實驗結果表明設

計方案的可行性及良好的動靜態(tài)特性。關鍵詞：純電動汽車；C8051F120；數據采集系統(tǒng)；串口通信

1 引言

為了有效地減少汽車排放，提高科學研究水平，純電動汽車的研究被政府列為重點科研項目，而純電動汽車實驗平臺則是研究電動汽車的前期工作，在電動汽車的試驗臺的研究中，采集來自開關的數字量信號、來自電壓、電流等的模擬量信號，以及對信號的實時處理就顯得格外重要，針對系統(tǒng)所需數據采集系統(tǒng)各項功能的特點，自行研發(fā)數據采集系統(tǒng) [1]，可以實現(xiàn)測試平臺的基本研究。

2 純電動汽車數據采集系統(tǒng)的硬件設計

Labview采用流程式的開發(fā)環(huán)境大大簡化了程序開發(fā)的復雜程度，縮短了開發(fā)周期，且內置了 VISA、GPIB、RS232、DAQ等模塊和基本分析庫，為實現(xiàn)工控機之間的通信、數據采集和系統(tǒng)控制等綜合功能提供了一個很好的途徑。在本系統(tǒng)控制中，我們將數據采集系統(tǒng)采集 [2，3，8]的數據，傳給以 Labview為虛擬儀器的上位機 [4，5，6，7]。

根據系統(tǒng)控制要求，主要分為對電源模塊的設計、數字量輸入設計、數字量輸出設計、模擬量輸入設計、通信模塊設計。

2.1 電源模塊設計

由于純電動汽車電力驅動測試平臺，除了部分交流高壓供電外，大多數采用 24V電壓供電，所以電源電路設計時，不僅要考慮控制器的電源供電，也要考慮數據采集系統(tǒng)各個板卡的供電，以及整個平臺系統(tǒng)的其他電路供電。設計電源電路電壓由 24V經過 7815電源芯片轉換為 15V，在經過 7805電源芯片轉換為 5V，最后經過 AS1117電源芯片，將電壓轉換為 3.3V，給控制器以及需要供電的電路供電。

2.2 數字量輸入輸出設計

由于給出開關信號的電氣接點有可能處于高壓環(huán)境，電磁干擾較強，為了隔離現(xiàn)場高壓，同時避免干擾，在接點與數字信號處理器之間加入光電耦隔離芯片，實現(xiàn)可靠的電隔離。因此，數字量輸入電路設計如圖 1所示。數字量輸出設計和數字量輸入設計一樣，為了避免干擾，加入光電隔離芯片。

該數字量輸入電路設計主要為了防止電壓過高造成對單片機端口的傷害，基本工作原理是當外來數字量信號到達，首先經過一個由二極管組成的防反向的電路，再經過電容濾波，使電壓穩(wěn)定，經過光電隔離芯片 TLP521-4，光電隔離芯片的輸出電壓 5V電平，由于單片機為 3.3V供電，考慮電平的兼容性問題，采用 AS1117芯片將 5V電平轉為 3.3V電平，再傳給單片機 I/O口，這樣避免了單片機端口因為外部給定電壓太大而燒壞。

2.3 模擬量輸入輸出設計

模擬輸入模塊設計，主要將采集到的傳感器等模擬信號，正確的傳給單片機，如圖 2所示。它主要是外部給定模擬信號，經過磁珠和電阻之后，把電壓給 LM324運算放大器，經過跟隨作用，再經過電阻的分壓，將信號降低，當電壓再次經過 LM324之后，電壓值與 3.3V 進行取和求平均值，當經過 LM324之后電壓值超過 3.3V時，給單片機的電壓信號為 3.3V起到限幅的作用，再將有效的電壓信號傳遞給單片機，進而實現(xiàn)模擬量輸入模塊的作用。其中對模擬輸入模塊設計時，設 b點電壓為 Ub，則 Uc-Ub=Ub-（-0.25Ui）解得 Ub=1.5-

0.125Ui，這樣才保證輸出的電壓為正確的。

2.4 483通信接口模塊設計

對于數據采集系統(tǒng)相當重要的是通信模塊的設計， RS485通信有硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點，但是 RS485通信存在自適應不強、自保護能力差、通信效率低等缺點，如使用不當可能經常出現(xiàn)以下兩種故障現(xiàn)象： 1、通信收發(fā)不可靠、不穩(wěn)定、誤碼率高； 2、某個節(jié)點的故障導致整個通信系統(tǒng)癱瘓。485和 483芯片具有類似的通信功能，綜合各種考慮因素，我們采用 MAX483芯片進行設計。

3 系統(tǒng)調試

當系統(tǒng)供電后進行單片機端口的配置， C8051F120單片機有 Con.gAndCon.g2Install配置軟件，將所需要的配置在該軟件配置完畢既可以進行主程序的編程，在該控制系統(tǒng)中，采用分步編程，分別將 PORT、AD兩個模塊的初始化模塊化，然后編寫程序。

4 總結

本文重點介紹了純電動汽車測試平臺數據采集系統(tǒng)的設計，對數字量輸入輸出電路設計、模擬量輸入輸出設計、電源模塊設計以及通信接口電路設計進行了詳細的設計、分析和論證，為數據采集系統(tǒng)的可靠性運行奠定了堅實的基礎。該數據采集系統(tǒng)具有結構化、模塊化的特點，可應用于各種低壓控制系統(tǒng)的檢測。

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