1设计背景
VVVF、CVCF、空调等设备均需对各种模拟量信号进行采集，模拟量信号的数值往往表示着系统中不同的传感器、被控量和监测变量的数值，比如电压数据、电流数据、温度数据等。由于不同的使用环境，导致同样作为模拟量采集电路，即使处于同一套机载系统中，在采集方式、采集范围等方面，也有各种差异。甚至对于某些车载控制设备，需要同时兼顾差分采集、单端采集、小信号采集及高压信号采集等多种采集接口，而这些接口根据实际的使用场景，有些信号并不需要同时使用，并且某些信号可能并不需要实时采集。如果根据各种需求进行特定信号采集电路的开发，最终电路接口设计数量可能需要几十甚至上百路，只是产品电路设计较为复杂，增加设计的成本。本文在此背景下，结合工业接口单元设计需求及特点，基于接口复用，集中控制思想，设计了分时采集，工作模式与采集范围可配置的模拟量采集电路架构，相比于传统定制化模拟量采集电路，本文的电路架构可以大大提升产品模拟量采集的通用性，可缩短产品开发周期，降低设计、生产和维护的成本。
2电路介绍
2.1 传统的模拟量电路
传统模拟量电路主要由4部分组成：接口滤波电路、多通道选择电路、放大电路和AD转换电路交联关系如图1所示。
图1 传统模拟量采集电路结构
接口滤波电路一般由一阶RC滤波电路组成，主要用于滤除模拟信号中的交流分量，截止频率根据用户需求或经验值进行设计。多通道选择电路有多片多选开关芯片组成，具体的使用数量由实际的使用情况进行确定，主要用于外部不同采集通道进行切换。放大电路往往由多级运算放大器组成，便于放大倍数的调整和平衡不同芯片批次的差异。AD电路由专用AD转换芯片构成或是由处理器内部的AD模块构成。
2.2 一种模拟量采集电路通用性配置方法
在传统模拟量采集电路架构的基础上，我们主要针对其中的采样电阻和电路隔离进行了调整。
1）基本信号采集电路
图2 模拟量采样电路
采样电路没有大的区别，主要是针对不同的部件信号，选择不同型号的器件，以方便AD芯片对模拟量信号进行采集，电路如图2所示。
为了达到EN61000-4标准对EMC的要求，主要通过屏蔽线和简单的共模电容滤波来实现。其中C369和C370通过接地来减少电磁噪声。在轨道交通车辆上，如果整车供电为24V，需要使用1nF电容滤波，如果整车供电为72V或者110V，则需要使用47pF进行滤波。
2）采样电阻选型配置
通过合适的采样电阻进行电流信号转换为合适的电压信号。使用并联电阻的形式，实现采样电阻的组合。在采样电阻选择的过程中需要考虑的因素包括输入电流范围、输入电压范围、电流转换为电压的功率和转换精度。
3）电路结构配置
根据实际的工程经验，由于传感器的输入阻抗不是无穷大的，同时由于生产工艺的不确定性，在输入过大输出满偏的情况下，部分放大器会出现输入阻抗降低的情况，致使进入运放的电压值已经出现大幅衰减，防止大电压采集时小电压采集电路满偏，影响最终电压采集精度。通过小信号放大电路与大电压放大电路分离，避免互相之间的影响，具体改进后的模拟量采集电路架构如图3所示。
图3 电路架构图
3软件实现
电路的软件控制逻辑及配置如图4所示，通过对AD芯片进行初始化配置，完成采样电路模拟量数据的读取。本文所使用的AD芯片型号为LTC1412，所使用的FPGA芯片型号为EP4CE10F17C8N。
图4 软件控制流程图
4试验结果
通过搭建实际测试电路，测试范围为0-100mA,分别输入50mA和100mA,采集数据为12为无符号整型数据，通过上位机进行数据显示，具体显示结果如下图所示：
1）当输入50mA时，上位机显示如图5所示：
图5 测试数据1
误差通过计算为0.6%。
2）当输入50mA时，上位机显示如图6所示：
图6 测试数据2
误差通过计算为0.5%。
5结论
本文在正常模拟电路设计的基础上，提出一种模拟量采集通用的电路设计，在接口复用情况下满足用户对差分电压和单端电压、小信号采集及大电压采集的需求，进而简化电路设计，降低成本，提高产品的通用性。
参考文献
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