一种车载高精度的电压检测电路及其方法

技术领域

本发明涉及电压检测领域，更具体的说，本发明涉及一种车载高精度的电压检测电路及其方法。

背景技术

在车辆电气系统中，电压检测是保证车辆正常运行和安全性的重要环节之一。电压是决定电力系统以及各种电器设备是否能够正常工作的关键因素。电压检测可以实时监控车载电力系统的运行状态，以便于检测和预防可能出现的故障。电压检测可以帮助监测电力系统的稳定性，及时发现异常的电压波动或过高的电压，避免对电气设备造成损坏。过高的电压可能导致电子元件烧坏，而过低的电压可能导致设备无法正常工作。当汽车出现问题时，电压检测可以作为故障诊断的一种手段。如果电压异常，可能是电池、交流发电机、电子控制单元(ECU)、传感器或者其他电子设备出现故障。许多汽车的安全功能，如ABS(防抱死刹车系统)、ESP(电子稳定程序)等都依赖于电力系统的稳定运行。实时的电压监测可以保证这些系统可靠的运行，从而保障驾驶人的行车安全。通过车载电压检测，可以避免电池过度放电或过度充电，以保护电池并延长其使用寿命。综上，电压检测在车辆电力系统中具有重要的作用，能够保护电气设备、确保供电稳定性、节能减排以及进行故障诊断和预防。通过及时监测电压，可以确保车辆电力系统的正常运行和安全性。

近年来，随着微控制器(Microcontroller Unit，简称MCU)技术的不断进步和发展，它可以将原本需要多种硬件设备才能完成的任务，集成到一颗小型的芯片上。这种集成度不仅大大减少了硬件成本，还极大地提高了系统的运行效率和准确性。这些优点使得MCU在各种设备和系统中都发挥着重要的作用，包括汽车的电压检测系统。MCU采集技术用于从外部传感器或设备中读取数据，并将其转换为数字信号，以便用于嵌入式系统中的计算、控制和通信等应用。传统的电压检测方法通常采用电压表等仪器进行测量，然而，这些方法存在准确性不高、测量范围有限、无法实时监测等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，一种车载高精度的电压检测电路及其方法，通过提高分压电阻和稳压源的精度，引入温度补偿，成功提高了车载电压的检测精度，实现了准确的电压检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种车载高精度的电压检测电路，其改进之处在于，包括电阻分压电路、温度补偿采集电路、MCU主控芯片模块以及参考电压电路；

所述电阻分压电路的输入端连接着待采集电压，所述电阻分压电路输出端与温度补偿采集电路电性连接在MCU主控芯片模块的输入端，MCU主控芯片模块的输出端连接着参考电压电路；待采集电压通过电阻分压电路进行分压，将采集的电压信号输入给MCU主控芯片模块，将采集到的数字量转换为相应的数字量。

在上述结构中，所述MCU主控芯片模块包括有MCU主控芯片，所述MCU主控芯片包括有VCC引脚、POW-ADC引脚、TEMP引脚、VREF+引脚、VREF-引脚以及GND引脚；所示VCC引脚与电阻分压电路和温度补偿采集电路输入端连接，为他们供电；POW-ADC引脚与电阻分压电路输出端连接，所述TEMP引脚与温度补偿采集电路的输出端连接，所述VREF+引脚、VREF-引脚分别与参考电压电路的输出端与输入端连接，所述GND引脚接地。

在上述结构中，该MCU主控芯片的型号为N32G455VEL7。

在上述结构中，所述电阻分压电路包括电阻R1、电阻R2、滤波电容C29以及二极管D4，所述电阻R1与滤波电容C29并联后且分别与电阻R2与二极管D4串联，且二极管D4正极与MCU主控芯片的POW-ADC引脚相连，二极管D4负极与MCU主控芯片的VCC引脚相连。

在上述结构中，所述温度补偿采集电路包括热敏电阻R3、电阻R4以及滤波电容C33；所述热敏电阻R3与滤波电容C33并联后与电阻R4串联，所述热敏电阻R3与电阻R4的公共端与MCU主控芯片的TEMP引脚连接。

在上述结构中，所述参考电压电路包括稳压二极管ZD1、电容C1以及电容C2；所述稳压二极管ZD1正极与MCU主控芯片的VREF-引脚电性连接，所述稳压二极管ZD1负极与MCU主控芯片的VREF+引脚电性连接，所述电容C1和电容C2分别与稳压二极管ZD1并联。

本发明还公开了一种车载高精度电压检测的方法，应用于车载高精度的电压检测电路电路，其改进之处在于，该方法包括以下步骤：

S10：通过车载电压和MCU采集电压的电压比，确定分压电阻比；

S20：确定MCU主控芯片，电阻分压电路将电压信号输出到MCU主控芯片POW-ADC引脚；

S30：MCU主控芯片对电压信号进行采集和转换，得到相应的数字量；

S40：引入温度补偿采集电路，对温度变化引起的参数漂移进行校正；

S50：合理选用元件，提高测量精度。

进一步的，所述步骤S10具体步骤为：

S101：确定车载电压范围和MCU采集电压范围；

S102：通过车载电压和MCU采集电压的电压比，推出电阻分压比；

S103：选用高精度电阻以适配MCU驱动能力。

进一步的，所述步骤S50具体步骤为：

S501：选用具有高精度的稳压源供给MCU主控芯片作为参考电压；

S502:根据MCU主控芯片的采集分辨率和采集范围，原则合适的采集算法；

S503:合理设计PCB板的布局和布线，减小信号干扰和噪声，提高电路的抗干扰能力。

进一步的，所述步骤S503中，尽量将ADC采集线和其他干扰源相隔离，并避免过孔等可能引入的干扰。

本发明的有益效果是：通过提高分压电阻和稳压源的精度，引入温度补偿，成功提高了车载电压的检测精度，实现了准确的电压检测。

附图说明

图1为本发明的一种车载高精度的电压检测电路的电路原理图；

图2为本发明的一种车载高精度的电压检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参见图1，本发明提供了一种车载高精度的电压检测电路，包括电阻分压电路10、温度补偿采集电路、MCU主控芯片模块30、以及参考电压电路40；

所述电阻分压电路10的输入端连接着待采集电压，所述电阻分压电路10输出端与温度补偿采集电路电性连接在MCU主控芯片模块30的输入端，MCU主控芯片模块30的输出端连接着参考电压电路40；待采集电压通过电阻分压电路10进行分压，将采集的电压信号输入给MCU主控芯片模块30，将采集到的数字量转换为相应的数字量。

进一步的，所述MCU主控芯片模块30包括有MCU主控芯片，所述MCU主控芯片包括有VCC引脚、POW-ADC引脚、TEMP引脚、VREF+引脚、VREF-引脚以及GND引脚；所示VCC引脚与电阻分压电路10和温度补偿采集电路20输入端连接，为他们供电；POW-ADC引脚与电阻分压电路10输出端连接，所述TEMP引脚与温度补偿采集电路20的输出端连接，所述VREF+引脚、VREF-引脚分别与参考电压电路40的输出端与输入端连接，所述GND引脚接地。

在本实施例中，该MCU主控芯片的型号为N32G455VEL7。N32G455系列微控制器产品采用高性能32位ARM Cortex-M4F内核，集成浮点运算单元(FPU)和数字信号处理(DSP)，支持并行计算指令。最高工作主频144MHz，集成高达512KB加密存储Flash并支持多用户分区管理，最大144KB SRAM，且可通过XFMC接口外扩FLASH和SRAM。内置一个内部高速AHB总线，二个低速外设时钟总线APB及总线矩阵，最多支持80个通用I/O，提供丰富的高性能模拟接口，包括4个12位5Msps ADC，最多支持40个外部输入通道、2个1Msps 12位DAC、4路独立的轨对轨运算放大器、最多7个高速比较器、多达24通道电容式触摸按键输入，同时提供多种数字通信接口，包括7个U(S)ART、4个I2C、3个SPI、2个I2S、1个QSPI、1个USB 2.0设备、2个CAN2.0B、1个SDIO通信接口，内置密码算法硬件加速引擎，支持多种国际及国密算法硬件加速。N32G455系列产品可稳定工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压1.8V至3.6V，提供多种功耗模式供用户选择，符合低功耗应用的要求。该系列产品提供包括从48脚至100脚的4种不同封装形式，根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。这些丰富的外设配置，使得N32G455系列微控制器适合于工业控制、空调压缩机控制、无人飞行器、云台、工业及消费类机器人等先进电机控制应用场景，以及UPS、太阳能逆变器、数字电源等需要控制器有高效运算能力同时又集成丰富的模拟特性的数模混合应用的场景。

进一步的，所述电阻分压电路10包括电阻R1、电阻R2、滤波电容C29以及二极管D4，所述电阻R1与滤波电容C29并联后且分别与电阻R2与二极管D4串联，且二极管D4正极与MCU主控芯片的POW-ADC引脚相连，二极管D4负极与MCU主控芯片的VCC引脚相连。所述温度补偿采集电路包括热敏电阻R3、电阻R4以及滤波电容C33；所述热敏电阻R3与滤波电容C33并联后与电阻R4串联，所述热敏电阻R3与电阻R4的公共端与MCU主控芯片的TEMP引脚连接。在本实施例中，由于R3为47K的热敏电阻，其阻值随着外界温度的变化而变化，MCU主控芯片可通过ADC的采集至大致计算出环境的温度。电子设备的性能常常会受到环境温度的影响，这对于电压检测系统来说尤其重要。热敏电阻可以用于测量和监控电路的温度，以实现温度补偿，保证电压检测的准确性。与其他温度传感器相比，热敏电阻体积小，成本低，易于安装，因此可以节省车载电压检测系统的空间和成本。

再进一步的，所述参考电压电路40包括稳压二极管ZD1、电容C1以及电容C2；所述稳压二极管ZD1正极与MCU主控芯片的VREF-引脚电性连接，所述稳压二极管ZD1负极与MCU主控芯片的VREF+引脚电性连接，所述电容C1和电容C2分别与稳压二极管ZD1并联。在本实施例中，稳压二极管选用LM4040B301DBZR固定输出电压3V，精度为±0.2％，以提高测量精度。

参照图1和图2所示，本发明还公开了一种车载高精度电压检测的方法，应用于车载高精度的电压检测电路电路，其改进之处在于，该方法包括以下步骤：

S10：通过车载电压和MCU采集电压的电压比，确定分压电阻比；

所述步骤S10具体步骤为：

S101：确定车载电压范围和MCU采集电压范围；

S102：通过车载电压和MCU采集电压的电压比，推出电阻分压比；

S103：选用高精度电阻以适配MCU驱动能力。

S20：确定MCU主控芯片，电阻分压电路10将电压信号输出到MCU主控芯片POW-ADC引脚；

S30：MCU主控芯片对电压信号进行采集和转换，得到相应的数字量；

S40：引入温度补偿采集电路，对温度变化引起的参数漂移进行校正；

S50：合理选用元件，提高测量精度。

本发明中，通过设置该一系列操作，该方法相对传统车载电压检测，往往采用电压表等仪器进行测量，但这些方法存在准确性不高、测量范围有限、无法实时监测等问题，本车载电压检测方法通常可以提供比传统方法更高的精度，这是因为微控制器可以进行更为复杂的数据处理和分析，从而得到更为准确的电压读数。可以实时对电压进行监测，而不是像传统的电压表那样只能提供瞬时的电压读数。这意味着MCU主控芯片可以实时追踪电压的变化，从而更好地保护车载电气系统。虽然MCU主控芯片的初始成本可能高于传统的电压表，但是由于其高度的集成化和自动化，以及其能够降低维护成本和提高系统的稳定性，从长期看，基于MCU主控芯片的电压检测方法可能更为经济。

进一步的，常见车载电压范围为9-30V，MCU主控芯片的采集电压范围为0-3.3V，根据两者的电压比例可推出电阻的分压比例为1：10，同时考虑到功耗、MCU驱动能力，分压电阻分别选择10K 0.1％以及100K 0.1％的高精度电阻。考虑到电路的稳定性和抗干扰能力，增加了电容滤波C29以及二极管D4，以确保电压转换的准确性。

进一步的，由于MCU供电电源选用LN1134A332(线性稳压器LDO)，其精度为2％，若直接使用LDO供电作为参考电压，计算所得结果会偏差较大。故选用具有高精度的稳压源供给MCU作为参考电压，以提高测量精度。

所述步骤S50具体步骤为：

S501：选用具有高精度的稳压源供给MCU主控芯片作为参考电压；

S502:根据MCU主控芯片的采集分辨率和采集范围，原则合适的采集算法；

S503:合理设计PCB板的布局和布线，减小信号干扰和噪声，提高电路的抗干扰能力。

其中，合理规划PCB布局和布线，减小信号干扰和噪声，提高电路的抗千扰能力。由于ADC采集到的信号为模拟信号，所以在PCB布线时尽可能的短，同时需要进行包地处理，且走线时尽量减少过孔的使用。根据MCU的采集分辨率和采集范围，设计合适的采集算法。通过计算和校准，将采集到的数字量转换为实际的电压值，实现高精度的测量。查看MCU(N32G455VEL7)规格书可知：ADC转换时间Tcon＝采样时间+12.5个周期；SAMPSEL位为0时，采样时间配置为13.5个周期；系统时钟设置为24M，配置AHB CLK为16分频；计算MCU采集周期T＝(13.5+12.5)/(24/16)M≈17.33us，采集频率f＝1/T≈57.7ms。使用加权滤波算法，ADC采集32个值为一组，每组去掉一个最大值，一个最小值后求平均，所得到的值乘于11即为计算所得电压值。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。