论文部分内容阅读
摘 要：为了提高数字信号处理的快速稳定性，本文介绍了以 C8051F120单片机为核心控制器，设计了一个具有 DI板卡、DO板卡、AI板卡，AO板卡、通信模块的数据采集系统，将设计的数据采集系统用于纯电动汽车电力驱动测试平台系统的控制，将数据传给以 Labview为虚拟仪器的上位机，经过实验，实验结果表明设
计方案的可行性及良好的动静态特性。关键词：纯电动汽车；C8051F120；数据采集系统；串口通信
1 引言
为了有效地减少汽车排放，提高科学研究水平，纯电动汽车的研究被政府列为重点科研项目，而纯电动汽车实验平台则是研究电动汽车的前期工作，在电动汽车的试验台的研究中，采集来自开关的数字量信号、来自电压、电流等的模拟量信号，以及对信号的实时处理就显得格外重要，针对系统所需数据采集系统各项功能的特点，自行研发数据采集系统 [1]，可以实现测试平台的基本研究。
2 纯电动汽车数据采集系统的硬件设计
Labview采用流程式的开发环境大大简化了程序开发的复杂程度，缩短了开发周期，且内置了 VISA、GPIB、RS232、DAQ等模块和基本分析库，为实现工控机之间的通信、数据采集和系统控制等综合功能提供了一个很好的途径。在本系统控制中，我们将数据采集系统采集 [2，3，8]的数据，传给以 Labview为虚拟仪器的上位机 [4，5，6，7]。
根据系统控制要求，主要分为对电源模块的设计、数字量输入设计、数字量输出设计、模拟量输入设计、通信模块设计。
2.1 电源模块设计
由于纯电动汽车电力驱动测试平台，除了部分交流高压供电外，大多数采用 24V电压供电，所以电源电路设计时，不仅要考虑控制器的电源供电，也要考虑数据采集系统各个板卡的供电，以及整个平台系统的其他电路供电。设计电源电路电压由 24V经过 7815电源芯片转换为 15V，在经过 7805电源芯片转换为 5V，最后经过 AS1117电源芯片，将电压转换为 3.3V，给控制器以及需要供电的电路供电。
2.2 数字量输入输出设计
由于给出开关信号的电气接点有可能处于高压环境，电磁干扰较强，为了隔离现场高压，同时避免干扰，在接点与数字信号处理器之间加入光电耦隔离芯片，实现可靠的电隔离。因此，数字量输入电路设计如图 1所示。数字量输出设计和数字量输入设计一样，为了避免干扰，加入光电隔离芯片。
该数字量输入电路设计主要为了防止电压过高造成对单片机端口的伤害，基本工作原理是当外来数字量信号到达，首先经过一个由二极管组成的防反向的电路，再经过电容滤波，使电压稳定，经过光电隔离芯片 TLP521-4，光电隔离芯片的输出电压 5V电平，由于单片机为 3.3V供电，考虑电平的兼容性问题，采用 AS1117芯片将 5V电平转为 3.3V电平，再传给单片机 I/O口，这样避免了单片机端口因为外部给定电压太大而烧坏。
2.3 模拟量输入输出设计
模拟输入模块设计，主要将采集到的传感器等模拟信号，正确的传给单片机，如图 2所示。它主要是外部给定模拟信号，经过磁珠和电阻之后，把电压给 LM324运算放大器，经过跟随作用，再经过电阻的分压，将信号降低，当电压再次经过 LM324之后，电压值与 3.3V 进行取和求平均值，当经过 LM324之后电压值超过 3.3V时，给单片机的电压信号为 3.3V起到限幅的作用，再将有效的电压信号传递给单片机，进而实现模拟量输入模块的作用。其中对模拟输入模块设计时，设 b点电压为 Ub，则 Uc-Ub=Ub-（-0.25Ui）解得 Ub=1.5-
0.125Ui，这样才保证输出的电压为正确的。
2.4 483通信接口模块设计
对于数据采集系统相当重要的是通信模块的设计， RS485通信有硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点，但是 RS485通信存在自适应不强、自保护能力差、通信效率低等缺点，如使用不当可能经常出现以下两种故障现象： 1、通信收发不可靠、不稳定、误码率高； 2、某个节点的故障导致整个通信系统瘫痪。485和 483芯片具有类似的通信功能，综合各种考虑因素，我们采用 MAX483芯片进行设计。
3 系统调试
当系统供电后进行单片机端口的配置， C8051F120单片机有 Con.gAndCon.g2Install配置软件，将所需要的配置在该软件配置完毕既可以进行主程序的编程，在该控制系统中，采用分步编程，分别将 PORT、AD两个模块的初始化模块化，然后编写程序。
4 总结
本文重点介绍了纯电动汽车测试平台数据采集系统的设计，对数字量输入输出电路设计、模拟量输入输出设计、电源模块设计以及通信接口电路设计进行了详细的设计、分析和论证，为数据采集系统的可靠性运行奠定了坚实的基础。该数据采集系统具有结构化、模块化的特点，可应用于各种低压控制系统的检测。
参考文献：
[1] 张丙才，刘琳 .基于 Labview的数据采集与信号处理 [J].仪表技术与传感器 .2007（12）
[2] 孙振威 .基于 C8051F单片机的 USB数据采集系统设计 .山东大学 .2012.5.20
[3] 葛永翠 .基于 C8051F120的以太网数据采集的技术研究[J]. 电子质量. 2008（02）
[4] 闫亚林，方沂 .基于 C8051F330单片机的最小系统应用 .电子技术与软件工程 .2014.3
[5] （美）CygnalIntegratedProducts，Inc.著，潘琢金等译 .C8051F单片机应用解析 [M]. 北京航空航天大学出版社， 2002
[6] 陈朝泽 . C8051F120单片机钞券箱自动开箱机控制系统[J]. 机械与电子. 2009（05）
[7] 周玉昆，唐建 . 基于 C8051F330的温度信息采集器[J]. 兵工自动化. 2006（02）
[8]刘述喜，王明渝 .基于 DSP的电机数据采集系统设计 [J].机电工程.2008（12）
计方案的可行性及良好的动静态特性。关键词：纯电动汽车；C8051F120；数据采集系统；串口通信
1 引言
为了有效地减少汽车排放，提高科学研究水平，纯电动汽车的研究被政府列为重点科研项目，而纯电动汽车实验平台则是研究电动汽车的前期工作，在电动汽车的试验台的研究中，采集来自开关的数字量信号、来自电压、电流等的模拟量信号，以及对信号的实时处理就显得格外重要，针对系统所需数据采集系统各项功能的特点，自行研发数据采集系统 [1]，可以实现测试平台的基本研究。
2 纯电动汽车数据采集系统的硬件设计
Labview采用流程式的开发环境大大简化了程序开发的复杂程度，缩短了开发周期，且内置了 VISA、GPIB、RS232、DAQ等模块和基本分析库，为实现工控机之间的通信、数据采集和系统控制等综合功能提供了一个很好的途径。在本系统控制中，我们将数据采集系统采集 [2，3，8]的数据，传给以 Labview为虚拟仪器的上位机 [4，5，6，7]。
根据系统控制要求，主要分为对电源模块的设计、数字量输入设计、数字量输出设计、模拟量输入设计、通信模块设计。
2.1 电源模块设计
由于纯电动汽车电力驱动测试平台，除了部分交流高压供电外，大多数采用 24V电压供电，所以电源电路设计时，不仅要考虑控制器的电源供电，也要考虑数据采集系统各个板卡的供电，以及整个平台系统的其他电路供电。设计电源电路电压由 24V经过 7815电源芯片转换为 15V，在经过 7805电源芯片转换为 5V，最后经过 AS1117电源芯片，将电压转换为 3.3V，给控制器以及需要供电的电路供电。
2.2 数字量输入输出设计
由于给出开关信号的电气接点有可能处于高压环境，电磁干扰较强，为了隔离现场高压，同时避免干扰，在接点与数字信号处理器之间加入光电耦隔离芯片，实现可靠的电隔离。因此，数字量输入电路设计如图 1所示。数字量输出设计和数字量输入设计一样，为了避免干扰，加入光电隔离芯片。
该数字量输入电路设计主要为了防止电压过高造成对单片机端口的伤害，基本工作原理是当外来数字量信号到达，首先经过一个由二极管组成的防反向的电路，再经过电容滤波，使电压稳定，经过光电隔离芯片 TLP521-4，光电隔离芯片的输出电压 5V电平，由于单片机为 3.3V供电，考虑电平的兼容性问题，采用 AS1117芯片将 5V电平转为 3.3V电平，再传给单片机 I/O口，这样避免了单片机端口因为外部给定电压太大而烧坏。
2.3 模拟量输入输出设计
模拟输入模块设计，主要将采集到的传感器等模拟信号，正确的传给单片机，如图 2所示。它主要是外部给定模拟信号，经过磁珠和电阻之后，把电压给 LM324运算放大器，经过跟随作用，再经过电阻的分压，将信号降低，当电压再次经过 LM324之后，电压值与 3.3V 进行取和求平均值，当经过 LM324之后电压值超过 3.3V时，给单片机的电压信号为 3.3V起到限幅的作用，再将有效的电压信号传递给单片机，进而实现模拟量输入模块的作用。其中对模拟输入模块设计时，设 b点电压为 Ub，则 Uc-Ub=Ub-（-0.25Ui）解得 Ub=1.5-
0.125Ui，这样才保证输出的电压为正确的。
2.4 483通信接口模块设计
对于数据采集系统相当重要的是通信模块的设计， RS485通信有硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点，但是 RS485通信存在自适应不强、自保护能力差、通信效率低等缺点，如使用不当可能经常出现以下两种故障现象： 1、通信收发不可靠、不稳定、误码率高； 2、某个节点的故障导致整个通信系统瘫痪。485和 483芯片具有类似的通信功能，综合各种考虑因素，我们采用 MAX483芯片进行设计。
3 系统调试
当系统供电后进行单片机端口的配置， C8051F120单片机有 Con.gAndCon.g2Install配置软件，将所需要的配置在该软件配置完毕既可以进行主程序的编程，在该控制系统中，采用分步编程，分别将 PORT、AD两个模块的初始化模块化，然后编写程序。
4 总结
本文重点介绍了纯电动汽车测试平台数据采集系统的设计，对数字量输入输出电路设计、模拟量输入输出设计、电源模块设计以及通信接口电路设计进行了详细的设计、分析和论证，为数据采集系统的可靠性运行奠定了坚实的基础。该数据采集系统具有结构化、模块化的特点，可应用于各种低压控制系统的检测。
参考文献：
[1] 张丙才，刘琳 .基于 Labview的数据采集与信号处理 [J].仪表技术与传感器 .2007（12）
[2] 孙振威 .基于 C8051F单片机的 USB数据采集系统设计 .山东大学 .2012.5.20
[3] 葛永翠 .基于 C8051F120的以太网数据采集的技术研究[J]. 电子质量. 2008（02）
[4] 闫亚林，方沂 .基于 C8051F330单片机的最小系统应用 .电子技术与软件工程 .2014.3
[5] （美）CygnalIntegratedProducts，Inc.著，潘琢金等译 .C8051F单片机应用解析 [M]. 北京航空航天大学出版社， 2002
[6] 陈朝泽 . C8051F120单片机钞券箱自动开箱机控制系统[J]. 机械与电子. 2009（05）
[7] 周玉昆，唐建 . 基于 C8051F330的温度信息采集器[J]. 兵工自动化. 2006（02）
[8]刘述喜，王明渝 .基于 DSP的电机数据采集系统设计 [J].机电工程.2008（12）