张海龙，姜明远，孙永健，冯 皓

（中国第一汽车集团有限公司，吉林 长春 130000）

1 前言

汽车作为当代人出行最便利的交通工具，已成为人们生活中不可或缺的一部分，其运行安全直接关乎人民的生命安全，因此，汽车安全性检测是汽车出厂前至关重要的步骤[1-2]。汽车是一个极其复杂的系统，对于汽车生产品质的检测，主要是关于汽车在运行状态下的工作电流检测，因此，对于汽车生产企业，高精度的车用电流检测仪器是必不可少的检测设备[3-4]。然而，当前生产企业中，高精度的车用电流检测仪器必须从国外进口，就导致以下两方面问题：一方面，进口设备的价格极其昂贵，且受国际环境影响交付；另一方面，进口设备的功能仅限于出厂设置，不能按照生产企业的实际需求进行更新，影响企业生产效率的提高[5-6]。

本文基于霍尔效应设计一种车用高精度电流检测仪器，仪器设计精度达到国外顶尖设备精度指标，不仅为突破高精尖设备“卡脖子”难题迈出了重要一步，也为提高企业生产效率，奠定坚实基础。

2 系统总体指标要求

为了提高车载电流检测精度，所使用的检测设备必须具有很高的精度指标。对标国际一流检测设备指标，所设计的车用高精度电流检测仪器的电流检测指标如表1所示。

表1 车用高精度电流检测仪器电流检测指标

为了提高操作人员检测时的便捷性和检测效率，在满足上述参数指标的情况下，所设计的高精度电流检测仪器不能使用分档分段测量的方式，只能使用一套传感器来满足上述精度指标。

3 系统传感模块设计

3.1 基于霍尔效应的电流传感原理

霍尔效应是导电材料中的电流与磁场的相互作用而产生电动势的一种效应。把一载流导体薄片放在磁场中，如果磁场方向B垂直于薄片平面，正、负电荷在磁场力FB、FE作用下，会向薄片上下两侧运动，达到平衡后，会在薄片的上、下两侧面出现微弱的电势差VH。基于霍尔效应制成的霍尔元件，感受到变化的磁场时，可以将磁场信号转化为电信号，输出一个与被测电流成比例的电压信号VH。

图1 基于霍尔效应的霍尔元件工作原理图

3.2 霍尔传感器选型

要保持霍尔传感器输出的线性度，就必须使被测电流在整个量程范围内变化时流过电流的导线周围，其磁场强度必须处于霍尔传感器磁感应强度的线性测量范围内。假定磁芯具有空气磁导率，电流钳钳头内径为20mm，对于最大测量电流值200A，根据长直导线电流周围磁感应强度公式可得：

本项目采用TI公司型号为DRV5505A4的霍尔传感器，其线性测量范围为±169mT，根据式（1）可知，选用合适磁导率的磁芯，即可使用DRV5505A4满足本项目对于大量程电流的测量需求。

4 系统电路设计

4.1 系统电路总体设计

系统电路部分是整个检测仪器的核心部分，是实现整个检测仪器数据采集、数据传输、数据稳定和精度提高的关键。系统电路部分主要由电源管理模块、模拟信号处理电路、A/D转换电路、中央控制电路、通信电路等模块组成，系统电路总体设计方案如图2所示。

图2 系统电路总体设计方案

检测仪器头部所输出的信号为：由电流产生磁场，经霍尔芯片转换后的模拟电压信号，经模拟信号处理电路处理后，可以有效降低信号噪声，提高检测的稳定性。24位A/D转换电路，可以将采集到的模拟信号转换为符合要求分辨率的数字信号，经CPU处理后，可以通过有线或无线通信模块将转换后的数字信号发送到手持设备端。

4.2 电源管理模块设计

检测仪器工作时主要由电池进行供电，需要将电池的供电电压转换为各模块芯片的工作电压。在工作状态下，检测仪器内置电池也可由车辆蓄电池为其充电，而在非工作状态下，可由专门配置的充电座为检测仪器内置电池进行充电。因此，需要专门设置系统电源管理模块，保证检测设备的正常供电功能。

首先，电源管理模块处理要设计电池自动持续充电主电路外，需要设计输入电源的反接保护电路和防电池电流倒流电路，目的是防止外部电源反接时损坏电池；其次，需要设计输入电源滤波电路，以降低输入电源的噪声干扰；最后，需要设计高频抑制、纹波电压抑制电路和瞬态特性改善电路，提高电池的充电稳定性和可靠性。电源管理模块设计示意如图3所示。

图3 电源管理模块设计示意图

4.3 模拟量处理电路设计

系统模拟量处理电路主要负责将从检测仪器前端获取的微弱模拟量信号，通过滤波、放大以及A/D转换等进行处理，然后变换为微处理器能够方便处理的高速数字量信号。为了保障霍尔芯片的正常稳定工作，需要为其提供持续恒定的电源，故需要设计霍尔芯片的高精度、高稳定性恒流供电电源电路。在进行电流测量前，要考虑前一次测量过程中大电流所产生的磁场有可能没有完全消失，在磁芯中仍有剩磁存在，因此需要设计剩磁消磁电路，消磁磁芯中的剩磁，以减小测量误差。在微弱电流信号下，霍尔效应传感器的输出信号很小，在强电流信号下，霍尔效应传感器的输出信号接近满量程，因此，需要设计合适的放大电路以及滤波电路，以便在0～200A的电流作用范围内，能保证后续电路都可以获得有足够精度和线性度的模拟量信号。另外，需要设计模拟量信号零点调整电路，方便电流测量的零点调节。系统模拟量处理电路设计示意如图4所示。

图4 系统模拟量处理电路设计示意图

图5 A/D转换电路设计示意图

4.4 A/D转换电路设计

电流检测仪器对1mA的电流分辨率指标要求主要由A/D转换芯片的位数决定，项目拟选用24位A/D转换芯片，其理论分辨率可达≈0.0000119A≈0.012mA，满足电流分辨率的要求。为了提高电流采样精度，A/D转换芯片必须具有低噪声、低漂移、高采样率的基本特性。为提高A/D转换芯片所获得的模拟信号的灵敏度，以及减小网络幅相不平衡度，需要设计模拟信号传输的阻抗匹配电路。另外，为提高信噪比，需要充分利用当前高性能A/D转换芯片内部的硬件滤波功能，输出高质量的数字信号。

4.5 中央处理单元设计

中央处理单元是整个电路系统的核心，其不但负责接收A/D转换芯片输出的数字量电流数据，并将其发送给无线传输设备进行无线数据传输，还负责处理无线通信模块传回的上位机控制命令，并根据上位机所发送指令控制电流检测设备进行相应动作。本文采用基于ARM核的32位Intel XScale嵌入式PXA250微处理器，工作频率可达400MHz，集成了多通信信道、LCD 控制器、增强型存储控制器和PCMCIA/CF控制器以及GPIO口的高度集成应用处理器。采用WIFI与蓝牙二合一的一体化芯片进行数据的无线通信。中央处理单元设计示意如图6所示。

图6 中央处理单元设计示意图

5 总结

高精度检测仪器需要根据系统总体性能指标，从总体架构出发，设计出各个子系统模块的总体功能和各模块主要芯片的技术指标。本文根据电流检测仪器的总体精度和性能要求，提出了系统电流传感模块、电源管理模块、模拟量处理电路模块、A/D转换电路模块、中央处理单元模块等模块电路的设计方案及各模块主要芯片的技术指标要求。该设计方案可以充分满足对于大量程、高分辨率、高精度电流检测的要求。