专利名称：一种基于fpga的快速电池分选系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种快速电池分选系统，主要用于电池的内阻和电压的测试和分选， 测试信号为IkHz交流信号。
背景技术：
随着锂电池、镍氢电池等高效能电池被广泛引用于各领域，对电池的测试检测效 率不断提出要求。内阻和电压是主要测试项目。目前的电池检测开始由手工检测开始向自 动化测试发展，同时还要求自动化测试系统的效率要高。现在的测试分选系统存在着以下 缺陷1、测试速度慢，2、分选速度慢。速度慢的主要原因是多数测试仪器的采样部分的积 分器和AD转换器是分开的，此外，过多依赖处理器的运算和占用太多的通讯时间，影响了 测试效率。发明内容
本发明的目的是以FPGA为基础，通过利用FPGA硬件逻辑的高速执行速度，减少了 处理器的数据处理负担，同时也降低了处理器的通讯时间，最终达到了高速测试和分选的 效果。
本发明采用的技术方案是包括分别连接处理器、IkHz恒流源、比较器、2kHz恒流 源、检相器以及积分型AD转换器的FPGA，IkHz恒流源和2kHz恒流源之间串接比较器，IkHz 恒流源连接被测电池，FPGA和被测电池之间连接2kHz恒流源，被测电池两端连接放大器， 放大器分别连接带通滤波器和低通滤波器，低通滤波器经第二积分型AD转换器连接FPGA， 带通滤波器经检相器连接第一积分型AD转换器；FPGA产生2kHz的信号注入测试端，当有 被测电池接入时，IkHz恒流源注入被测电池，在被测电池两端采样直流电压和交流信号，通 过放大器将信号放大，当测试电池电压时，第二积分型AD转换器工作；当测试电池电阻值 时，第一积分型AD转换器工作；FPGA对获得的AD值校准运算，运算结果和比较器上下限值 进行比较后输出分选结果。
本发明的有益效果是1、利用FPGA的高度集成化，简化了硬件电路，小型化了设备，降低了功耗还提高了系 统的可靠性，降低了系统的故障率。
2、利用FPGA的强大功能，实现各种逻辑控制到校准运算，实现了各种硬件功能的 集成，在各个工作状态间的切换直接由FPGA完成，节省了和处理器通讯的时间。
3、自主搭建的积分型AD转换器，将积分器和AD转换器合为一体，提高了响应速度。
4、最大程度长减少了处理器的参与程度，大幅缩减处理器的工作量，提高了处理 器对其它事件的响应速度。
5、高速积分型AD将测试和分选合二为一，有效提高测试速度。基于FPGA的快速 电池分选系统有效增加了系统的集成度，以硬件逻辑为基础，内建有硬件乘法器，控制、运算、分选都由硬件完成，可以有效提高测试和分选的效率。
图1是本发明的结构组成图；图2是图1中比较器5的组成图；图3是电池阻抗图；图4是图1中积分型AD转换器11、12的原理中1. FPGA (可编程逻辑器件)；2.处理器；3. 较器；6. 2kHz恒流源；7.放大器；8.带通滤波器；9. AD转换器；12.积分型AD转换器；13.被测电池；14、 20.电阻；21.被测信号源内阻；22.基准电流源；23. 器；26.过零比较器。分选输出部件；4.1kHz恒流源；5.比低通滤波器；10.检相器；11.积分型 15.电容；16、17、18、19·运算放大器； 运算放大器；24.积分电容；25.计数具体实施方式
如图1所示，整个系统包括FPGA I (可编程逻辑器件)，FPGA分别连接分选输出部件3和处理器2，FPGAl还和IkHz恒流源4连接，IkHz恒流源4连接被测电池13，FPGAl为 IkHz恒流源4提供相位稳定的IkHz基准信号，IkHz恒流源4产生的交流电流注入被测电池13。被测电池13两端连接放大器7，放大器7分别连接带通滤波器8和低通滤波器9，放大器7分别放大被测电池13两端的直流信号和交流信号后，分别进入带通滤 波器8和低通滤波器9。经过低通滤波器9的信号交流部分被滤波掉，剩下的直流信号为电池两端的直流电压信号。低通滤波器9经积分型AD转换器12连接FPGAl，带通滤波器8经检相器10 连接积分型AD转换器11，检相器10连接FPGAl，积分型AD转换器11也连接FPGAl。当进行电池电压测试时，积分型AD转换器12工作，积分型AD转换器12的转换值由FPGAl计数获得。当进行电阻值测试时，积分型AD转换器11工作，积分型AD转换器11的转换值也由 FPGAl计数获得。
FPGA I和被测电池13之间连接2kHz恒流源6，IkHz恒流源4和2kHz恒流源6之间串接比较器5，比较器5和2kHz恒流源6分别连接FPGA I。IkHz恒流源4输出IkHz的交流电流，用于测试电池的内阻。2kHz恒流源6输出2kHz的交流电流，用于检测测试线是否完好和被测电池13有没有被接入。比较器5用于检测被测电池13是否被接入，输出信号送入FPGAl。IkHz恒流源4和2kHz恒流源6输出电流I，施加在被测电池13上后，恒流源的输出电压为r =I^Z Λ =1 Z O ； Z =\ Z \ Z Θ ； z I= Am; V的电压表示形式 V = Am*sin(ω t+ Θ)。
比较器5的结构如图2，是用来判断交流信号幅度的，由2个电容14、15和四个运算放大器16、17、18、19组成。电容14、15用于隔离直流信号，运算放大器16、17、18、19是 LM339，电阻20是上拉电阻。该型号比较器开漏输出，当输入的IkH交流信号幅度超过Vm 或2kHz交流信号幅度超过Vn时，比较器5就会输出低。当有电池接入时，比较器5会输出高，FPGAl接收到高信号就知道被测物被接入了，并控制其它硬件电路进行协同测试。
放大器7的作用是将信号放大，它将交流信号放大很高的倍数，同时直流信号保持较小的放大倍数。带通滤波器8用于滤除IkHz以外的低频和高频噪声，检相器是将输入 目号和参考 目号做乘法运算，输入 目号Vin = Am^sin (ω t+ θ ) ； ω = 2 π f ； (f = I kHz);参考信号 Vref = B*sin (ω t+ ψ) ；Vo = Vin*Vref = Am*B* [cos ( θ - ψ) + cos (2 ω t+ θ + ψ)];积分型AD转换器12只对Vo的直流分量Am*B*C0S ( θ - ψ)进行积分， 对交流分量Am*B*cos (2 ω t+ θ + ψ)不积分。同样原理，用于检测被测电池13的2kHz恒流源6产生的信号，积分型AD转换器12也不积分。
电池阻抗在阻抗平面的分布如图3，是通常的容性和阻性的。电池的内阻主要指电池阻抗的电阻分量部分，当Ψ=0°时，AD转换器输出结果为Am*B*COS0，即阻性分量。当 ￥=90°时，可获得容性阻抗分量。对于参考信号Vref的相位角的调整可以由FPGA实现。 在系统用于快速分选，只获取电阻分量。
对于电池电压的测量，由于电池电压的幅度(一般锂电池电压为4V左右)远远大于施加在电池上的交流信号幅度(一般在ImV以内)，通过低通滤波后，交流信号得到进一步衰减，加上积分器的积分周期是测试波形的周期的整数倍，交流测试信号衰减后的幅度对测量电池电压无影响。
积分型AD转换器的原理是利用电荷平衡原理，积分电容对被测信号积分的电荷量等于基准电流源所泄放掉的电荷，同时对泄放掉的电荷进行计时。如图4，运算放大器23 输入输出之间接积分电容24，运算放大器23输入接被测信号源内阻21和基准电流源22， 用于移除在积分电容24上的电荷，运算放大器23输出分别接过零比较器26和计数器25。
由于Qc = Qd ；Qc是被测信号充电电荷；Qd是基准电流放电电荷；Qc = Ιχ*Τ1 ；Ιχ 被测电流；Tl积分时间；Qd = Ir*T2 ;Ir基准电流，为已知量；Τ2放电时间；Vx = R*Ix = R*Ir*T2/Tl ;Vx被测信号；R为信号源内阻，为已知量；T2和Tl都可由FPGA计数获得。所以，Vx可以转换为相应的读数值。
一般积分时间Tl选择为测试信号频率的整数倍，这样可以有效的抑制交流成份， 同时得到完整的若干个信号周期的积分，使得响应得到最快。
整个系统在工作流程如下由FPGAl产生2kHz的信号注入测试端，直接通过硬件判断是否有电池接入，并把输出信号给FPGA1。当有被测电池13接入时，基于FPGAl的数字信号源产生测试用的IkHz恒流源4注入被测电池13，同时在电池的两端采样直流电压和交流信号，通过增益将信号·放大，再通过检相器10将有用信号剥离出来。被测电池13由比较器5检测到并输出信号给FPGA1，同频率不同相位的检相器10用于获取解调出信号，输出信号，同时积分型AD转换器11对其进行积分，把模拟量转换成数字量，积分时间为η个测试信号周期(lmS)。然后FPGAl获得转换的AD值后通过内部硬件乘法器进行校准运算获得电阻值。与此同时电压测试同步进行，电压测量由积分型AD转换器12转换完成，积分时间同样是η个mS，由FPGAl完成校准运算，最后通知与FPGAl相接的处理器2。测试完成后，将结果和比较器上下限值进行比较，最后输出分选信号。在整个过程中整个流程都由硬件完成，由FPGA控制和协同工作，很大程度上降低了处理器的响应时间，减小了处理器的负载， 所以所占用的通讯时间和运算时间都很短，在积分时间为5mS的情况下，分选速度可以达到100次/秒的速度以上。
权利要求
1.一种基于FPGA的快速电池分选系统，其特征是包括分别连接处理器(2)、lkHz恒流源(4)、比较器(5)、2kHz恒流源(6)、检相器(10)以及积分型AD转换器的FPGA，IkHz恒流源(4)和2kHz恒流源(6 )之间串接比较器(5 )，IkHz恒流源(4)连接被测电池(13 )，FPGA 和被测电池(13)之间连接2kHz恒流源(6)，被测电池(13)两端连接放大器(7)，放大器(7) 分别连接带通滤波器(8)和低通滤波器(9)，低通滤波器(9)经第二积分型AD转换器(12) 连接FPGA，带通滤波器(8)经检相器(10)连接第一积分型AD转换器(11) ；FPGA产生2kHz 的信号注入测试端，当有被测电池(13)接入时，IkHz恒流源(4)注入被测电池(13)，在被测电池(13 )两端采样直流电压和交流信号，通过放大器(7 )将信号放大，当测试电池电压时， 第二积分型AD转换器(12)工作；当测试电池电阻值时，第一积分型AD转换器(11)工作； FPGA对获得的AD值校准运算，运算结果和比较器上下限值进行比较后输出分选结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的快速电池分选系统,其特征是第一、第二积分型AD转换器(11、12)包括运算放大器(23)，运算放大器(23)输入输出之间接积分电容(24)，运算放大器(23)输入接被测信号源内阻(21)和基准电流源(22)，运算放大器(23) 输出分别接过零比较器(26)和计数器(25)。
全文摘要
本发明公开一种基于FPGA的快速电池分选系统，包括分别连接处理器、1kHz恒流源、比较器、2kHz恒流源、检相器以及积分型AD转换器的FPGA，1kHz恒流源和2kHz恒流源之间串接比较器，1kHz恒流源连接被测电池，FPGA和被测电池之间连接2kHz恒流源，被测电池两端连接放大器，放大器分别连接带通滤波器和低通滤波器，低通滤波器经第二积分型AD转换器连接FPGA，带通滤波器经检相器连接第一积分型AD转换器；当测试电池电压时，第二积分型AD转换器工作；当测试电池电阻值时，第一积分型AD转换器工作；FPGA对获得的AD值校准运算，运算结果和比较器上下限值进行比较后输出分选结果。
文档编号B07C5/344GK102989694SQ20121053454
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者何可人, 马正华, 陈岚萍, 黄科, 蒋建明, 史兵 申请人:常州大学