AMAT 0100-00985
伴随着科技的进步，电动汽车技术得到迅速的发展，相比内燃机汽车，电动汽车具有零排放、高性能效率、低噪声、低热辐射、易操纵和易维护等优点，将是未来汽车发展的方向，也是现行研究的热点。
电动汽车的动力电池有如下三类：燃料电池、蓄电池和超级电容。燃料电池、蓄电池和超级电容在能量密度和功率密度上有互补性[1]。单一使用蓄电池、绕料电池或者超级电容，难以用作电动汽车的动力源。混合电池是一比较理想的解决方法，采用混合电池驱动系统，特别利用超级电容快速充放电能实现汽车制动能量回收，以及燃料电池超大能量密度支持汽车持久行驶，使得燃料电池/超级电容组成的混合驱动系统成为电动车驱动的最佳方案[2]。
对于车载用电源，为达到较高功率和能量，超级电容往往采用多块单体串联的形式，伴随着电容串级的提升，电池整体电压也随之提高，对于车载电池，超级电容工作电压常达到几百伏，而这样高峰值的电压引起的波动会带来强烈的电磁干扰，为电容组件的检测带来很大的困难，同时由于串联超级电容往往采用大电流充放电（通常在50A-150A之间），电压、电流变化十分迅速，如中型客车用超级电容以150A电流放电时，端电压会在1
分钟之内由300V减到70V，而200V恒压冲电时电流也会在几分钟内由50A增大到150A左右，这样迅速的充放电速度和幅度带来的噪音影响也是十分巨大。
针对超级电容特殊的工作状况，本论文给出一种超级电容电池检测系统，通过对超级电容组件进行充放电循环试验采集其电压、电流参数、并与标准参数对比，从而验证出本检测系统能在强电压电流变化情况下快速实现较高的检测精度。
1检测系统原理及各模块实现
1.1检测对象
测试用超级电容采用上海奥威科技开发有限公司提供的两组串联不对称电极双电层超级电容组件。
1.2系统原理介绍
超级电容管理系统可以实现对超级电容工作电流和电压的实时采集，超级电容管理系统整体结构框图如图1所示，系统共由3个主要模块组成：现场电压、电流、采集与调理模块（即采集模块），信号隔离与MCU信号处理模块（即中央处理模块），电源管理模块，采集模块内、霍尔电压、霍尔电流传感器分别为超级电容电压和电流进行现场采集，采集信号经过仪用放大、然后转化为4mA-20mA电流信号并发送到中央处理模块，中央处理模块内，采集模块发送的4mA-20mA电流信号，经过电流电压变换后，再进行隔离放大、AD转换并送到MCU，MCU将数据处理后通过CAN接口传送到上位机，当检测到数据异常时MCU输出故障信号，以便工作人员能及时采取措施，电源管理模块为各功能模块提供稳定隔离的电压，增加RS232通信串口，以便MCU程序烧录。
1.3各主要模块的实现
本测试系统分别采用四块电路板，以实现三大功能模块——采集模块、中央处理模块和电源管理模块。即电压采集与初调理板、中央处理板以及电源板，下边着重介绍电压、电流采集模块和中央处理模块的实现。
1.3.1采集模块的实现
采集模块包括总线电流的采集、总线电压的采集两个部分，图2即为电流采集原理图，采用霍尔电流传感器隔离被测系统，比传统的基于电阻采样的电流分压电路精度高，安全性能好，抗干扰能力强，本文选用Honywell公司的基于磁补偿原理的霍尔闭环电流传感器CSNK591，测量范围±1200A，线性精度达到0.1%，总体精度达到0.5%，响应速度小于1μs，完全满足了系统的要求。采集信号经精密电阻转变为电压信号，再由仪用放大器放大为±5V双极性电压信号，系统选用AD620BR仪用放大芯片，该芯片在增益较低时具有较大的共模抑制比（G=10时，共模抑制比最小为100dB），能较强地抑制由于温度、电磁噪声等因素引起的共模干扰，放大信号通过OP27GS芯片抬升至0-10V单极性信号，经过射极跟随器送至变送器XTR110KU，转为4mA-20mA的电流信号送到中央处理模块，之所以将采集信号转变为4mA-20mA电流信号，是考虑到与工业接口标准的统一，并采用电流传感抗干扰能力强。
总线电压的采集同样选用基于磁补偿原理的闭环霍尔电压传感器VSM025A，实现原理与电流采集相同。
1.3.2中央处理模块实现
中央处理模块是测试系统的核心部分，包括MCU和AD单元、模拟信号二次调理单元、故障输出单元和CAN接口单元等，如图3所示。
采集模块输入的4mA-20mA电流信号首先经过模拟信号二次调理单元，进行信号的变送、隔离、滤波和放大。模拟信号的隔离方式很多，常用的方法为隔离放大
器、线性光耦以及电压频率转化，其中隔离放大器和线性光耦隔离电压高、抗干扰能力强、线性度高，但线性光耦隔离线路复杂，需要调整的参数较多，并且当输出电压比较小时，线性度较差，故本文选用BB公司高精度ISO124U隔离运算放大器完成输入模拟信号的隔离，隔离后的信号经5阶Butterworth低通滤波MAX280电路过滤高频干扰，随后通过一射极跟随器送出。
二次调理后的采集信号，经过12位高速AD7891送至MCU，MCU对数据进行处理并将数据通过CAN接口传送到上位机，单片机选用STC系列8位高速单片机STC89C58RD+。该单片机具有强抗干扰性，4kV快速脉冲干扰（EFT）和高抗静电（ESD），可通过6000V静电，很好地满足了超级电容高电压大电流的工作环境，该单片机可实现6时钟模式，在本系统采用24M晶振情况下，单片机工作频率可达到4MIPS，相当于普通51系列单片机运行速度的4倍。
另外，测试系统设置3通道故障诊断输出，能显示欠压、过压、过流等状态，测试系统与上位机采用抗干扰能力强、稳定性好的CAN通信方式，保证测试系统送入上位机数据的可靠性。
实际系统有模拟±1
5V，数字±5V，模拟±12V供电需求，电源管理模块在提供系统各部分所需电压的同时，进行模拟、数字电路隔离，从而避免两类电压互相影响，各部分电源入口都增加了TVS保护，防止浪涌电压对系统的损坏，同时在诸多电源入口处设置相应的滤波电路，如在AD供电入口处增加了π形滤波电路，较好地消除电源信号对所供电路的干扰。
另外，外部连线均采用屏蔽线，能较强地屏蔽线路传输中的电磁干扰，所有电流板使用型材铝盒包装，采用标准航空接头与外界联线，这样在保护电路板的同时隔离外界磁场。
2测试系统实测结果对比及分析
2.1测试内容
实验选定以70A和150A两种模式对两组串联的超级电容组件进行充放电测试，首先，对电容进行恒流充电，当总线电压达到300V时，转为恒压充电，当总线电流降低到10A时进行70A恒流放电，如此循环测试5个周期。
2.2实验结果及分析
图4、图5、图6给出了两种情况下的测试曲线对比，其中，图4表示70A和150A的两种标准测试情况下，电流的变化曲线，图5、图6表示两种情况下，电压曲线特性，可以看出两者的匹配程度很好，电压测试精度高于电流测试精度，这是由于一方面充放电系统本身电压比电流控制精度要高，另一方面电流传感器安置在电容箱体内并且仅靠单体电容，电容充放电时产生的噪声干扰比较严重，同时，霍尔电流传感器孔径较大，穿过电流总线后仍有一定空隙，在一定程度上影响了测试精度，对比各组电流曲线，可以看出随着电流的增大，测试结果的相对误差减小，但绝对误差保持一致，不超过3A。
本文给出一种车载超级电容测试系统，该系统采用基于磁补偿原理的霍尔闭环电流、电压传感器采集总线信号，以抗高压脉冲干扰的STC51高速单片机进行信号处理，并采用仪用放大、电流传输、模拟信号隔离、5阶低通滤波等措施，尽可能地减少信号传输过程的噪音，通过对超级电容组件充放电测试，表明本系统具有抗干扰能力强，检测精度高等优点，能很好的满足车载超级电容高电压大电流环境下的测试要求。
一、引言
近些年来，随着人类对于海洋开发力度的增加，关于海洋方面的研究越来越广泛深入。相应地，海洋中各种环境物理场也成为了研究关注的焦点。因为对于海洋环境物理场的了解，意味着人们可以更加熟悉海洋，利用其环境物理场的变化规律，使我们在海洋地质勘测、地震预警、海洋捕捞、石油勘探等领域，更加的方便、有效。
而随着海洋物理场水下物理场测量测试需求的增加，传统的测试手段已经无法满足现在的测量需要，繁多的各物理场采集系统硬件设备测量灵活性差，系统的安全性和可靠性低的缺点，已严重限制了在需要多个环境物理场同时进行测量中的应用。因此，对于一个小型化、智能化、布放便捷的海洋环境物理场测量系统的研究开发已经成为必需。
二、硬件系统介绍：
1．系统总体设计思想：
本系统是基于海洋中多个环境物理场的综合测量方法。海洋环境物理场包括多种物理环境，有传统的声、以及近些年来逐渐引入的磁、电、水压，甚至于刚刚引起关注的光、荧光、地震波，各个物理场均有其特有的特性，这让现有的水下物理场采集系统越来越无法满足测量的需要；对于海洋的环境物理场，单点的测量系统所获取的数据已经无法满
足对于海洋环境物理场测量与分析的需求，而通过水下测量阵的多点探测，可以搜集到测量海域内大量的海洋环境物理场数据，为研究人员准确的确定物理场的参数提供了方便。
同时，为了预测海洋环境物理场的变化趋势，一个能够长期在水下工作的测量系统也是必须的。对于本系统的设计，需要一个多点采集阵列，通过岸上的PC机，对水下的各个采集点进行控制，各个采集点将采集到的数据通过光纤传送到岸上，进行显示和处理，基于以上几点考虑以及根据海上作业的特殊需要，我们对于本套系统提出的要求是：
（1）智能化：灵活多样的测量方式，因为水下的多种物理场，其对采样率、采样精度的要求不同；快捷、方便的采集软件，利于程序员调试、测量人员操作；
（2）小型化：为了方便海上实测、布放的需要，以及对于水密舱的设计需要，小型的采集系统将是我们的首选。
（3）系统的安全、稳定性：系统可以长期、稳定的进行数据采集工作，这就要求系统水密性高，在海上要适应不同的温度条件，耐水流冲击以及布放时的冲撞，同时，长期工作时的功耗低，散热性好，能够保证系统的稳定工作。
综上考虑，在对多个采集系统进行综合比较分析之后，我们选择了NI公司的NICompactRIO控制和采集系统。该系统是一种小巧而坚固的工业化控制和采集系统，采用可重新配置I/O(reconfigurableI/O，缩写为RIO)FPGA技术实现超高性能和可自定义功能。NICompactRIO包含一个实时控制器与可重新配置的FPGA芯片，适用于可靠的独立嵌入式或分布式应用系统；其多样的热插拔工业I/O模块，内置可直接和传感器/调节器连接的信号调理，均符合大多数海洋环境物理场测量的需要；优良的抗震耐温性能超越了老式的采集系统，保证了测试的可靠性与安全性；小巧的外形，使得系统的体积大大减少，方便了研究人员的海上布放与测量工作；较低的功耗，也使得系统工作的稳定性增强；同时，NI公司的LabVIEW和LabVIEWRT模块、LabVIEWFPGA模块提供了良好的图形化开发环境，利用LabVIEW软件，可以快捷的设置NIcRIO采集模块的采集属性；对于整个水下测量系统，可以利用NIcRIO系统集成的接口设备以及便捷的软件设置，将水下各个测量点方便的集成在一起，并通过网络，和岸上工作站相连。
2．硬件简介
2.1NIcRIO-9004特性指标：
配置有一个串口和10/100M自适应以太网接口，由此和其他设备及PC机连接；工作电压范围在11到30V之间，当有8个采集通道同时工作的情况下，功耗只有24W；有512M的存储空间以及64M的DRAM；LabVIEWRT操作系统。
2.2NIcRIO-9103特性指标：
4个模块插槽；3百万门可再配置FPGA系统；196KBRAM；
2.3cRIO-9233特性指标：
通道数………4个模拟输入通道
A/D转换精度……………24bits
数据采样率…………2K/s～50K/s
时钟频率……………12.8MHz
3．单个水下采集模块硬件系统架构
在多个水下物理场进行测量时，对每个物理场的采样要求并不相同，对于交变物理场，可以利用NIcRIO-9233采集器设置采样率来采集，采样率要求最高达到10K，而对于直流信号，系统中利用单片机，将信号采集进来，通过NIcRIO-9004控制器的串口，将数据传给上位机，进行显示和保存。
海洋环境多物理场测量阵如图1所示。
海洋环境多物理场测量阵
图1海洋环境多物理场测量阵
对于水下测量系统来说，系统的布放是测量的一个重要组成部分，系统布放的成功与否直接影响了测量结果以及后期的数据分析与处理，系统在水下的姿态、位置正确，是我们进行数据采集的保证。为此，我们在系统中集成了姿态仪，通过它们掌握测量系统在水下的位置以及姿态信息，姿态信息同直流信号共用一个单片机来进行采集控制，而数据利用串口通过单片机传送给NIcRIO-9004，并通过网络传送到上位机的显控界面。
单个水下采集模块硬件系统架构如图2所示：
三、软件系统介绍：
1．软件简介：
软件所使用的开发平台为NI公司的LabVIEW软件。LabVIEW是NI公司开发的一种目前应用最广、发展最快、功能最
强的图形化开发平台。它是一种适合任何编程任务，具有扩展函数库的通用编程环境，定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素；它的扩展函数库面向数据采集、GPIB和串行仪器控制，以及数据分析、数据显示和数据存储；提供了与遵从GPIB、VXI、RS-232、RS-485协议的硬件及数据采集卡的全部功能，还内置了TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，不需要编写程序代码，而是利用编程人员熟悉的术语，图表和概念，来绘制程序流程图，直观清晰，并且包括了常用的程序调试工具，简化了程序的开发时间和难度。
2．编程思路说明
本系统的软件编程主要是需要实现对各个物理场采集的控制，按需要的采样率要求进行数据采集；将采集信号传送到上位机的用户界面上，实时显示，方便测试人员对测量体的布放、调试以及对目标的测量。
对于本系统来说，工作的重点是编译各个物理场采集控制模块，并将各采集模块同姿态仪控制模块集成在一起，形成一个成熟的系统采集控制软件，可以便捷的对各个采集模块进行控制，实时的显示采集结果、存储数据，更重要的是要让程序的采集模块之间即不相互产生冲突，也不会因为运行速度的问题产生丢点和串道。
当水下测量体姿态稳定之后，通过程序设定的切换按钮，给单片机发送指令，结束姿态仪数据的采集并发送稳恒物理场传感器工作指令，开始稳恒物理场的数据采集，根据单片机的数据传输格式，读出串口中的字符串，并将其分解，转换为10进制数值，并根据规则将其换算为实际的物理量，显示出来。 2.1NIcRIO-9233控制采集部分
利用NIcRIO-9233采集水下物理场交变部分，软件设计的关键问题首先是要保证两个NIcRIO-9233的同步，这在Project中通过设置两个cRIO-9233的硬件属性，可以将两个NIcRIO-9233的时钟设为同步，达到要求；其次是保证信号不会产生丢点和串道，根据采样率的要求，最高要达到10K的采样率，选择DMAFIFO的方式，可以解决这个问题。采集到的数据，通过对DMA的读取，经过二进制到十进制的转换，进行显示和存储以及后期的数据处理。同时，在程序中还集成了错误报警，当程序出错时，可以及时的提醒测量人员。
2.2cRIO-9004与单片机的串口通信
在本系统中，集成了对于海洋环境物理场直流信号的采集模块以及姿态仪与漏水报警的控制和数据采集模块，利用单片机控制各个模块的采集，将信号通过串口传给NIcRIO-9004，并在上位机显示与存储。
姿态仪和环境物理场采集模块的工作通过上位机给单片机发送命令进行切换，方便测量人员的观测和控制，同时，当漏水报警启动时，单片机将传送报警信号而不再发送其他信号，通过对信号的判断，进行软件报警。
在对水下测量体进行布放的时候，程序发送姿态仪工作指令给单片机，然后，读取串口数据，并按照姿态仪的数据传输格式，将从串口得到的姿态仪数据提取出来并显示，同时增加报警判断，根据需要设定姿态判断规则，当系统姿态达到一定的角度，程序开始报警。
FPGA.vi的程序部分