張海龍，姜明遠，孫永健，馮 皓

（中國第一汽車集團有限公司，吉林 長春 130000）

1 前言

汽車作為當(dāng)代人出行最便利的交通工具，已成為人們生活中不可或缺的一部分，其運行安全直接關(guān)乎人民的生命安全，因此，汽車安全性檢測是汽車出廠前至關(guān)重要的步驟[1-2]。汽車是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，對于汽車生產(chǎn)品質(zhì)的檢測，主要是關(guān)于汽車在運行狀態(tài)下的工作電流檢測，因此，對于汽車生產(chǎn)企業(yè)，高精度的車用電流檢測儀器是必不可少的檢測設(shè)備[3-4]。然而，當(dāng)前生產(chǎn)企業(yè)中，高精度的車用電流檢測儀器必須從國外進口，就導(dǎo)致以下兩方面問題：一方面，進口設(shè)備的價格極其昂貴，且受國際環(huán)境影響交付；另一方面，進口設(shè)備的功能僅限于出廠設(shè)置，不能按照生產(chǎn)企業(yè)的實際需求進行更新，影響企業(yè)生產(chǎn)效率的提高[5-6]。

本文基于霍爾效應(yīng)設(shè)計一種車用高精度電流檢測儀器，儀器設(shè)計精度達到國外頂尖設(shè)備精度指標(biāo)，不僅為突破高精尖設(shè)備“卡脖子”難題邁出了重要一步，也為提高企業(yè)生產(chǎn)效率，奠定堅實基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)總體指標(biāo)要求

為了提高車載電流檢測精度，所使用的檢測設(shè)備必須具有很高的精度指標(biāo)。對標(biāo)國際一流檢測設(shè)備指標(biāo)，所設(shè)計的車用高精度電流檢測儀器的電流檢測指標(biāo)如表1所示。

表1 車用高精度電流檢測儀器電流檢測指標(biāo)

為了提高操作人員檢測時的便捷性和檢測效率，在滿足上述參數(shù)指標(biāo)的情況下，所設(shè)計的高精度電流檢測儀器不能使用分檔分段測量的方式，只能使用一套傳感器來滿足上述精度指標(biāo)。

3 系統(tǒng)傳感模塊設(shè)計

3.1 基于霍爾效應(yīng)的電流傳感原理

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場的相互作用而產(chǎn)生電動勢的一種效應(yīng)。把一載流導(dǎo)體薄片放在磁場中，如果磁場方向B垂直于薄片平面，正、負電荷在磁場力FB、FE作用下，會向薄片上下兩側(cè)運動，達到平衡后，會在薄片的上、下兩側(cè)面出現(xiàn)微弱的電勢差VH?；诨魻栃?yīng)制成的霍爾元件，感受到變化的磁場時，可以將磁場信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸出一個與被測電流成比例的電壓信號VH。

圖1 基于霍爾效應(yīng)的霍爾元件工作原理圖

3.2 霍爾傳感器選型

要保持霍爾傳感器輸出的線性度，就必須使被測電流在整個量程范圍內(nèi)變化時流過電流的導(dǎo)線周圍，其磁場強度必須處于霍爾傳感器磁感應(yīng)強度的線性測量范圍內(nèi)。假定磁芯具有空氣磁導(dǎo)率，電流鉗鉗頭內(nèi)徑為20mm，對于最大測量電流值200A，根據(jù)長直導(dǎo)線電流周圍磁感應(yīng)強度公式可得：

本項目采用TI公司型號為DRV5505A4的霍爾傳感器，其線性測量范圍為±169mT，根據(jù)式（1）可知，選用合適磁導(dǎo)率的磁芯，即可使用DRV5505A4滿足本項目對于大量程電流的測量需求。

4 系統(tǒng)電路設(shè)計

4.1 系統(tǒng)電路總體設(shè)計

系統(tǒng)電路部分是整個檢測儀器的核心部分，是實現(xiàn)整個檢測儀器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)穩(wěn)定和精度提高的關(guān)鍵。系統(tǒng)電路部分主要由電源管理模塊、模擬信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、中央控制電路、通信電路等模塊組成，系統(tǒng)電路總體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路總體設(shè)計方案

檢測儀器頭部所輸出的信號為：由電流產(chǎn)生磁場，經(jīng)霍爾芯片轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號，經(jīng)模擬信號處理電路處理后，可以有效降低信號噪聲，提高檢測的穩(wěn)定性。24位A/D轉(zhuǎn)換電路，可以將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為符合要求分辨率的數(shù)字信號，經(jīng)CPU處理后，可以通過有線或無線通信模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號發(fā)送到手持設(shè)備端。

4.2 電源管理模塊設(shè)計

檢測儀器工作時主要由電池進行供電，需要將電池的供電電壓轉(zhuǎn)換為各模塊芯片的工作電壓。在工作狀態(tài)下，檢測儀器內(nèi)置電池也可由車輛蓄電池為其充電，而在非工作狀態(tài)下，可由專門配置的充電座為檢測儀器內(nèi)置電池進行充電。因此，需要專門設(shè)置系統(tǒng)電源管理模塊，保證檢測設(shè)備的正常供電功能。

首先，電源管理模塊處理要設(shè)計電池自動持續(xù)充電主電路外，需要設(shè)計輸入電源的反接保護電路和防電池電流倒流電路，目的是防止外部電源反接時損壞電池；其次，需要設(shè)計輸入電源濾波電路，以降低輸入電源的噪聲干擾；最后，需要設(shè)計高頻抑制、紋波電壓抑制電路和瞬態(tài)特性改善電路，提高電池的充電穩(wěn)定性和可靠性。電源管理模塊設(shè)計示意如圖3所示。

圖3 電源管理模塊設(shè)計示意圖

4.3 模擬量處理電路設(shè)計

系統(tǒng)模擬量處理電路主要負責(zé)將從檢測儀器前端獲取的微弱模擬量信號，通過濾波、放大以及A/D轉(zhuǎn)換等進行處理，然后變換為微處理器能夠方便處理的高速數(shù)字量信號。為了保障霍爾芯片的正常穩(wěn)定工作，需要為其提供持續(xù)恒定的電源，故需要設(shè)計霍爾芯片的高精度、高穩(wěn)定性恒流供電電源電路。在進行電流測量前，要考慮前一次測量過程中大電流所產(chǎn)生的磁場有可能沒有完全消失，在磁芯中仍有剩磁存在，因此需要設(shè)計剩磁消磁電路，消磁磁芯中的剩磁，以減小測量誤差。在微弱電流信號下，霍爾效應(yīng)傳感器的輸出信號很小，在強電流信號下，霍爾效應(yīng)傳感器的輸出信號接近滿量程，因此，需要設(shè)計合適的放大電路以及濾波電路，以便在0～200A的電流作用范圍內(nèi)，能保證后續(xù)電路都可以獲得有足夠精度和線性度的模擬量信號。另外，需要設(shè)計模擬量信號零點調(diào)整電路，方便電流測量的零點調(diào)節(jié)。系統(tǒng)模擬量處理電路設(shè)計示意如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)模擬量處理電路設(shè)計示意圖

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計示意圖

4.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

電流檢測儀器對1mA的電流分辨率指標(biāo)要求主要由A/D轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)決定，項目擬選用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，其理論分辨率可達≈0.0000119A≈0.012mA，滿足電流分辨率的要求。為了提高電流采樣精度，A/D轉(zhuǎn)換芯片必須具有低噪聲、低漂移、高采樣率的基本特性。為提高A/D轉(zhuǎn)換芯片所獲得的模擬信號的靈敏度，以及減小網(wǎng)絡(luò)幅相不平衡度，需要設(shè)計模擬信號傳輸?shù)淖杩蛊ヅ潆娐?。另外，為提高信噪比，需要充分利用?dāng)前高性能A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部的硬件濾波功能，輸出高質(zhì)量的數(shù)字信號。

4.5 中央處理單元設(shè)計

中央處理單元是整個電路系統(tǒng)的核心，其不但負責(zé)接收A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出的數(shù)字量電流數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給無線傳輸設(shè)備進行無線數(shù)據(jù)傳輸，還負責(zé)處理無線通信模塊傳回的上位機控制命令，并根據(jù)上位機所發(fā)送指令控制電流檢測設(shè)備進行相應(yīng)動作。本文采用基于ARM核的32位Intel XScale嵌入式PXA250微處理器，工作頻率可達400MHz，集成了多通信信道、LCD 控制器、增強型存儲控制器和PCMCIA/CF控制器以及GPIO口的高度集成應(yīng)用處理器。采用WIFI與藍牙二合一的一體化芯片進行數(shù)據(jù)的無線通信。中央處理單元設(shè)計示意如圖6所示。

圖6 中央處理單元設(shè)計示意圖

5 總結(jié)

高精度檢測儀器需要根據(jù)系統(tǒng)總體性能指標(biāo)，從總體架構(gòu)出發(fā)，設(shè)計出各個子系統(tǒng)模塊的總體功能和各模塊主要芯片的技術(shù)指標(biāo)。本文根據(jù)電流檢測儀器的總體精度和性能要求，提出了系統(tǒng)電流傳感模塊、電源管理模塊、模擬量處理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊、中央處理單元模塊等模塊電路的設(shè)計方案及各模塊主要芯片的技術(shù)指標(biāo)要求。該設(shè)計方案可以充分滿足對于大量程、高分辨率、高精度電流檢測的要求。