現(xiàn)場可編程門陣列FPGA" title="FPGA">FPGA(Field Programmable GateArray)屬于ASIC產(chǎn)品,，通過軟件編程對目標器件的結(jié)構和工作方式進行重構,，能隨時對設計進行調(diào)整,，具有集成度高,、結(jié)構靈活,、開發(fā)周期短,、快速可靠性高等特點，數(shù)字設采用FPGA現(xiàn)場可編程器件實現(xiàn)VRLA" title="VRLA">VRLA蓄電池" title="蓄電池">蓄電池測試系統(tǒng)的復雜數(shù)據(jù)采集電路,、USB數(shù)據(jù)通信接口,、寄存器電路、越限報警電路等關鍵模塊的設計,，其中數(shù)據(jù)采集電路模塊用差動式模擬開關電路替代雙刀式繼電器模擬開關,。
      
       整體架構利用了FPGA編程靈活、加密性好,、設計制造成本低等優(yōu)點,，其固件開發(fā)的數(shù)據(jù)采集電路比常規(guī)采集卡穩(wěn)定性更高，系統(tǒng)運行性能良好,。
      
       1,、 引言
     
       閥控式鉛酸蓄電池（VRLA）在實際使用中會出現(xiàn)電池殼變形、電解液滲漏,、容量不足,、電池端電壓不均勻等現(xiàn)象，實踐證明,，整組電池的容量是以狀況最差的那塊電池的容量值為準,，而不是以平均值或額定值（初始值）為準，當電

池的實際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時,，電池便進入衰退期,，當電池容量下降到原來的80%以下時，電池便進入急劇的衰退狀況,，衰退期很短，此時電池組已存在極大的事故隱患,，所以對VRLA蓄電池的定時檢測和在線監(jiān)測是非常重要和必須的,。

       2、 硬件電路設計
    
      VRLA蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是對直流電源VRLA蓄電池組中每一個VRLA蓄電池的端電壓進行巡檢,，其工作方式分為實時監(jiān)測和定時監(jiān)測兩類,，定時監(jiān)測的時間間隔由用戶根據(jù)實際需要設定，用戶可隨時切換實時與定時監(jiān)測兩種工作模式,，通過監(jiān)視器顯示電壓,、溫度、內(nèi)阻曲線實現(xiàn)對單個及整體VRLA蓄電池的監(jiān)控操作?？赏瓿蓤D表打印,，圖形保存，曲線顯示,，歷史數(shù)據(jù)回放多種管理功能,，并缺省設置越限報警電壓及溫度范圍限，如有異常情況立即發(fā)出報警信號,。
    
       2.1  測試系統(tǒng)硬件結(jié)構
    
       本例FPGA開發(fā)系統(tǒng)采用Xilinx FPGA控制模塊Spartan-II(XC2S200),、差動式多路模擬開關（包括模擬開關CD4051及光耦合器TLP181）、A/D轉(zhuǎn)換AD0809芯片,、Philips公司PDIUSBD12通用串行接口芯片,、Winbond公司W(wǎng)29C020C并口Flash存儲器及SRAM W24257、2×4鍵盤陣列,、越限報警器件等構成,。理想的VRLA蓄電池測試系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測VRLA蓄電池組內(nèi)單節(jié)VRLA蓄電池的電壓,，內(nèi)阻和溫度能夠有效的識別單節(jié)VRLA蓄電池的性能差異和安全臨界點,，有效控制單節(jié)VRLA蓄電池的過充，過放和熱失控,，實現(xiàn)均衡放電和均衡充電的理想功能,；同時準確計算出單個VRLA蓄電池電量，根據(jù)充放電曲線,，建立最佳充放電方法,，并與控制器智能化配合，確定VRLA蓄電池負載特性參數(shù)選擇,，延長VRLA蓄電池使用壽命,。

　　                                                                  圖1 整機系統(tǒng)框圖
    
       2.2  差動式多路模擬開關設計

　　數(shù)據(jù)采集電路設計采用差動式多路模擬開關可以避免常規(guī)雙刀式繼電器模擬開關對大型VRLA蓄電池組測量時需要的繼電器太多，儀器的體積過大,，功耗,、成本及故障率高等眾多缺點，如圖示差動式模擬開關工作電源由所測VRLA蓄電池組提供,，并采用光耦合器隔離采樣開關與低壓系統(tǒng),，以解決VRLA蓄電池組的電池數(shù)目多，電壓高,，難以測量等問題,。

　　差動式模擬開關工作過程為：FPGA控制器通過控制端CA，CB來同時控制U1,，U2八選一模擬開關,，如果控制端同時選中輸入端B1,，則模擬開關U1輸出端OUT1輸出VRLA蓄電池B1的正端電壓，而模擬開關U2的輸出端OUT2輸出則是B1的負端電壓,，如果將OUT2接到測量系統(tǒng)的地電平,，OUT1接到測量系統(tǒng)信號輸入端，則便可測得VRLA蓄電池B1的各項數(shù)據(jù)值,。同理,，只要控制CA，CB就可完成對B1～B4各個單體電池數(shù)據(jù)的量測,，繼而得出整組電池的各項參數(shù)數(shù)據(jù),。

　                                                    　圖2 差動式模擬開關電路原理圖
             3、 軟件設計
    
       系統(tǒng)軟件采用模塊化設計,，底層固件程序由VHDL語言編程的若干子程序塊組成,，包括主    控制程序，數(shù)據(jù)采集子程序,，超限判斷及報警子程序,，USB端點通信子程序，中斷處理子程序,；上位機應用程序在Visual Basic環(huán)境下開發(fā),，可完成圖表打印，圖 形保存,，曲線顯示,，歷史數(shù)據(jù)回放等管理功能。

　　3.1  主控制程序
    
       用于完成FPGA及外部模塊的上電自檢和初始化,，初始化flash存儲器,，SRAM工作區(qū)，A/D轉(zhuǎn)換器及差動模擬采樣通道設置,、USB端口及周邊接口的上電復位,。初始化將對初始狀態(tài)給予設定，包括定時器,、中斷器的開放等,。其中外部中斷用于響應鍵盤信號及USB口中斷響應與上位機通信等操作。
    
        3.2  USB控制端點中斷服務程序流程圖
    
       USB控制端點中斷服務程序功能是在USB通信口發(fā)出中斷響應后把當前選定的單節(jié)蓄電池的電壓,、溫度等數(shù)據(jù)存入相應數(shù)據(jù)區(qū),，為系統(tǒng)顯示、報警,、通信等功能提供原始數(shù)據(jù)，之后根據(jù)用戶設置的蓄電池組數(shù),、每組蓄電池節(jié)數(shù)及設定電壓,、溫度值，將原始數(shù)據(jù)作相應修正即可在上位機應用程序處顯示每組蓄電池的單節(jié)電池電壓及整體蓄電池的電壓、溫度,、內(nèi)阻曲線,。

　　                                                     圖3 USB控制端點中斷服務程序流程圖
    
          3.3 

; USB控制端點通信建立初始化程序
     
       參考Philips公司PDIUSBD12數(shù)據(jù)手冊，PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字,、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字,，F(xiàn)PGA先給PDIUSBD12的命令地址發(fā)命令，根據(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù),。因此,，可以將每種命令做成函數(shù)，用函數(shù)實現(xiàn)各個命令,，以后直接調(diào)用相關函數(shù)即可,。FPGA內(nèi)部USB控制端點與PDIUSBD12通信初始化程序清單：



 

　　constant D12_CONNECT_DATA: REG8x8:=                 //配置命令和數(shù)據(jù)

　　( D12_COMMAND_SET_DMA,                              //設置DMA命令

　　D12_DMA,                                          //發(fā)送命令數(shù)據(jù)

　　D12_COMMAND_SET_MODE,                              //發(fā)送設置模式命令

　　D12_MODE_CONFIG,                                  //發(fā)送模式設置

　　D12_MODE_CLOCK_DIV,                               //發(fā)送分頻率模式

　　oth ers => X00 );

　　constant D12_CONNECT_DATA_TYPE: REG8x1:=             //命令、數(shù)據(jù)執(zhí)行順序

　　( D12_COMMAND,

　　D12_DATA,                                          //發(fā)送數(shù)據(jù)

　　D12_COMMAND,

　　D12_DATA,       

;                                   //發(fā)送數(shù)據(jù)

　　others => 0 ); 

　　constant D12_CONNECT_DATA_LENGTH: INTEGER8 := 5;     //配置參數(shù)總長度

　　constant D12_EP0_ACK_DATA: REG8x8:=                  //配置0斷點命令

　　(   D12_COMMAND_SEL_EP0_OUT,                        //發(fā)送0斷點選擇

　　D12_COMMAND_ACK_SETUP,                          //確認建立
   
D12_COMMAND_CLEAR_EP_BUFFER,                    //清寄存器

　　D12_COMMAND_SEL_EP0_IN,                         //接收0斷點選擇

　　D12_COMMAND_ACK_SETUP,                          //確認建立

　　others => X00  );

　　constant D12_EP0_ACK_DATA_LENGTH: INTEGER8 := 5;    //配置0斷點總長度

　　constant ep0_ack_data: REG8x8 := D12_EP0_ACK_DATA;  //發(fā)送0斷點數(shù)據(jù)
   
       4,、 結(jié)語
    
       基于FPGA的VRLA蓄電池測試系統(tǒng)充分利用固件編程調(diào)試靈活,，開發(fā)成本低，片上資源豐富等優(yōu)勢,，能方便的實現(xiàn)多組輸入模擬量的擴展,。可實現(xiàn)對單體電壓0~15V,、整組電壓0~500V,，電壓測量精度：±0.5%；溫度測量范圍：-20℃~+80℃,；內(nèi)阻測試范圍：0~99mΩ等高精度的參數(shù)測量,。
    
       參考文獻：
    
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       [3]. 萬利峰 基于PDIUSBD12的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J]

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