CN111351593A - 一种无人飞行器电池温度检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人飞行器电池温度检测***及方法，包括内嵌在电池组上的热敏电阻器、电压数据采集模块、数据处理模块，电压数据采集模块的电路包括参考电阻、分压电阻、RC滤波电路、运算放大器、A/D转换器，热敏电阻器与参考电阻、分压电阻串联，将分压电阻接入采集电路来处理热敏电阻与温度非线性化问题，提高测温***精度。本发明设计的低成本、低功耗、可扩展的热敏电阻测温***，可应用于无人飞行器对电池高精度的测温应用。

Description

一种无人飞行器电池温度检测***及方法

技术领域

本发明属于测温电路设计技术领域，具体涉及一种无人飞行器电池管理***温度检测***及方法。

背景技术

电池温度是无人机***中重要的放飞指标之一，对电池温度的采集是无人机***中经常遇到的问题。热敏电阻具有灵敏度高、稳定性好、热惯性小、体积小和价格便宜等优点，被广泛应用于测温领域。

传统使用热敏电阻作为温度传感器的测温电路大多采用单片机加模数转化器的方式进行，该类型电路具有以下缺点：

1、传统测温***使用模数转化器直接对参考电阻两端电压进行采集，导致测试***抗干扰能力差。

2、热敏电阻与温度的线性对应关系差，导致传统测温***精度低。

3、传统的测温电路单片机与模数转化器之间为串口通信，串口通信传输率低，导致传统测温***采样率低。

4、传统的测温电路将参考电压设置为固定值，直接使用查表的阻值-温度转换方法，导致测温***误差较大。

发明内容

本发明针对现有技术中热敏电阻测温电路具有抗干扰能力差、精度低、采样率低、误差大等问题，根据无人飞行器电池所选用的热敏电阻，提供了一种引入分压电路、RC滤波电路和FPGA的温度采集处理方法，解决电池管理***中温度检测问题。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种无人飞行器电池温度检测***，包括内嵌在电池组上的热敏电阻器、电压数据采集模块、数据处理模块，所述热敏电阻器的一端与无人机供电电压连接，另一端与电压数据采集模块连接；所述电压数据采集模块用于采集无人机供电电压、电池组温度信号的模拟量及采集电路内部三次电源电压，转换成数字量发送至数据处理模块；所述数据处理模块用于接收电压数据采集模块输出的数字量并进行正确性判断，计算输出电池组温度。

进一步的，所述电压数据采集模块的电路包括参考电阻、分压电阻、RC滤波电路、运算放大器、A/D转换器，所述热敏电阻器与参考电阻、分压电阻串联，所述无人机供电电压、参考电阻两端的供电电压以及采集电路内部三次电源电压分别依次连接RC滤波电路、运算放大器、RC滤波电路、A/D转换器，所述运算放大器反向输入与输出相连，所述电池组温度信号的模拟量为参考电阻两端的供电电压。

进一步的，所述电压数据采集模块的电路还包括隔离器，所述隔离器隔离参考电阻两端的供电电压、采集电路内部三次电源电压。

进一步的，所述电压数据采集模块的电路还包括电压调整器，用于为A/D转换器供电。

进一步的，所述分压电阻的电阻值为参考电阻电阻值的8至10倍。

进一步的，所述数据处理模块为FPGA。

进一步的，所述热敏电阻器置于电池组的中心位置，以灌胶的方式固定热敏电阻器两端引脚。

本发明还提供了一种无人飞行器电池温度检测方法，包括如下步骤：

S1、加电后，电压数据采集模块检测参考电阻两端的供电电压信号后，进行转换工作，获得电压数字量，结果传给数据处理模块；

S2、数据处理模块收到参考电阻两端的供电电压V_col，首先与电压数据采集模块采集电路内部三次电源电压V_3v3进行对比，若V_col≥V_3v3,则参考电阻两端的供电电压为异常，向上位机上报故障；若V_col<V_3v3,则参考电阻两端的供电电压值为正常，计算热敏电阻的电阻值：

其中，R_ntc为热敏电阻的电阻值，V_ref为无人机供电电压，R_ref为已知的参考电阻值，R_par为分压电阻值，V_col为参考电阻的电压值；

S3、根据热敏电阻的电阻值查询温度曲线表，得到对应的电池组温度。

本发明的有益效果：

1、使用RC滤波电路消除无人飞行器供电***上的杂波及干扰信号，同时将运算放大器的输出电压与反向输入电压连接，作为采集电压的线性稳压器，可提高测试***抗干扰能力。

2、将分压电阻接入采集电路来处理热敏电阻与温度非线性化问题，提高测温***精度。

3、使用FPGA的SPI通讯接口，总线通信速率提高至50Mbps，提高测温***采样率。

4、将采集电路内部三次电源电压作为基准电压，FPGA根据基准电压将采集的电压值进行正确性判断，将实时采集的无人飞行器供电电压作为参考电压，减小测温***误差。

本发明在无人飞行器电池管理***中，实现了一种低成本、低功耗、可扩展的热敏电阻测温模块设计，可应用于无人飞行器对电池高精度的测温应用。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中无人飞行器电池温度检测***结构示意图；

图2为本发明实施例中电压数据采集模块电路原理图；

图3为本发明实施例中FPGA的SPI通讯接口原理框图；

图4为本发明实施例中电池温度检测方法流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1所示，是本发明实施例提供的无人飞行器电池温度检测***结构示意图，电池温度检测***包括内嵌在电池组11上的热敏电阻器12、电压数据采集模块13、数据处理模块14。

其中，为保证采集温度为电池的内部温度，热敏电阻器12置于电池组11的中心位置，以灌胶的方式固定热敏电阻器两端引脚。本实施例中，热敏电阻器12为MF54A型负温度系数热敏电阻器，这种的特性是随着温度下降而阻值越大，热敏电阻器12的一端与无人机供电电压连接，另一端与电压数据采集模块13连接。

电压数据采集模块13用于采集无人机供电电压、电池组温度信号的模拟量及采集电路内部三次电源电压，转换成数字量发送至数据处理模块14。

数据处理模块14用于接收电压数据采集模块输出的数字量并进行正确性判断，计算输出电池组温度。

如图2所示，为电压数据采集模块13的电池组温度数据采集电路原理，该电路包括参考电阻、分压电阻、RC滤波电路、运算放大器、A/D转换器、隔离器、电压调整器。热敏电阻器与参考电阻、分压电阻串联，无人机供电电压、参考电阻两端的供电电压以及采集电路内部三次电源电压分别依次连接RC滤波电路、运算放大器，运算放大器的输出再通过RC滤波电路输入到A/D转换器，A/D转换器输出无人机供电电压、参考电阻两端的供电电压、采集电路内部三次电源电压的数字信号。另外，隔离器用于隔离参考电阻两端的供电电压、采集电路内部三次电源电压，电压调整器用于为A/D转换器供电。其中，运算放大器反向输入与输出相连，形成线性稳压器，

上述电池组温度信号的模拟量即参考电阻两端的供电电压。

图2中，R_ref为已知的参考电阻，R_par为分压电阻，考虑无人飞行器的参考电压一般为28V左右，采集电路两端的供电电压为3.3V左右，因此分压电阻R_par的电阻值一般为参考电阻R_ref电阻值的8至10倍。

将RC滤波电路过滤后的信号，输入到TLV2464A运算放大器，放大器作为线性稳压器，可减少无人飞行器***中的电磁干扰，其主要引脚功能如下：

1IN+:放大器正向输入，用于无人机供电电压正极输入；

1IN-:放大器反向输入；

1OUT:放大器输出，与1IN-连接，用于无人机供电电压滤波及稳压后的正极输出；

2IN+:放大器正向输入，用于参考电阻的电压正极输入；

2IN-:放大器反向输入；

2OUT:放大器输出，与2IN-连接，用于参考电阻电压滤波及稳压后的正极输出；

3IN+:放大器正向输入，用于采集电路内部三次电源电压的正极输入；

3IN-:放大器反向输入；

3OUT:放大器输出，与3IN-连接，用于采集电路内部三次电源电压滤波及稳压后的正极输出。

A/D转换器ADC128S052为8通道CMOS工艺的12位A/D转换芯片，转换速率200kSPS到500kSPS，提高了数据采集精度。输出串行数据符合SPI总线标准，提高了数据传输抗干扰能力。3V供电时，器件功耗1.6mW。其主要引脚功能如下：

IN0:模拟信号输入，用于无人机供电电压输入；

IN2:模拟信号输入，用于参考电阻电压输入；

IN3:模拟信号输入，用于采集电路内部三次电源电压输入；

片选信号，用于周期采集模拟信号输入；

SCLK:数字时钟输入；

DIN:数字信号输入；

DOUT:数字信号输出。

ADUM5401为集成隔离式DC/DC转换器的四通道数字隔离器。采用3.3V输入电源时，最大可提供最高500mW隔离功率，在低功耗隔离设计中，无需使用单独的隔离DC/DC转换器，减少电路成本及复杂度。其主要引脚功能如下：

INA、INB、INC三条用于接收，OUTD一条用于发射，这些线与标准的SPI总线接口连接。

TPS73230为带反向电流保护的低压降电压调整器，可提供的输出电流250Ma,输出压降40mV，电压输出精度±0.5％，主要用于为A/D转换器供电。

数据处理模块14采用FPGA，如图3所示为FPGA的SPI通讯接口的原理框图：

输入端口：

CLK：模块工作时钟，应不低于4倍SCK；

SCK：SPI通讯时钟，控制通讯数据每一位发送和接收；

SS：从机片选信号，低电平选中该从机；

TX_DATA：发送字节或字写入端口。

输出端口：

TX_RDY：发送准备好信号；

RX_RDY：接收准备好信号；

RX_DATA：接收字节或字读出端口。

如图4所示，是本发明实施例提供的电池温度检测方法的流程示意图，具体工作流程如下：

1)加电后，电压数据采集模块接收到检测参考电阻两端的供电电压值的信号后，进行转换工作，获得电压数字量，结果通过SPI接口以串行数据的形式传给数据处理模块。

2)数据处理模块收到参考电阻两端的供电电压V_col，首先与电压数据采集模块电路内部三次电源电压V_3v3进行对比，判断其正确性。若V_col≥V_3v3,则参考电阻两端的供电电压值为异常，向上位机上报故障；若V_col<V_3v3,则参考电阻两端的供电电压值为正常。

然后，利用如下公式获取热敏电阻的电阻值：

其中，R_ntc为热敏电阻的电阻值，V_ref为无人机供电电压，R_ref为已知的参考电阻值，R_par为分压电阻值，V_col为参考电阻的电压值。无人机供电电压已知。

3)最后，数据处理模块可通过查询电池组热敏电阻的温度曲线表，得到对应的电池组温度，如下表所示的温度曲线表，为MF54A型负温度系数热敏电阻器的温度曲线表。

表1电池组电阻的温度曲线表

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种无人飞行器电池温度检测***，其特征在于，包括内嵌在电池组上的热敏电阻器、电压数据采集模块、数据处理模块，所述热敏电阻器的一端与无人机供电电压连接，另一端与电压数据采集模块连接；所述电压数据采集模块用于采集无人机供电电压、电池组温度信号的模拟量及采集电路内部三次电源电压，转换成数字量发送至数据处理模块；所述数据处理模块用于接收电压数据采集模块输出的数字量并进行正确性判断，计算输出电池组温度。

2.根据权利要求1所述的无人飞行器电池温度检测***，其特征在于，所述电压数据采集模块的电路包括参考电阻、分压电阻、RC滤波电路、运算放大器、A/D转换器，所述热敏电阻器与参考电阻、分压电阻串联，所述无人机供电电压、参考电阻两端的供电电压以及采集电路内部三次电源电压分别依次连接RC滤波电路、运算放大器、RC滤波电路、A/D转换器，所述运算放大器反向输入与输出相连，所述电池组温度信号的模拟量为参考电阻两端的供电电压。

3.根据权利要求2所述的无人飞行器电池温度检测***，其特征在于，所述电压数据采集模块的电路还包括隔离器，所述隔离器隔离参考电阻两端的供电电压、采集电路内部三次电源电压。

4.根据权利要求2所述的无人飞行器电池温度检测***，其特征在于，所述电压数据采集模块的电路还包括电压调整器，用于为A/D转换器供电。

5.根据权利要求2所述的无人飞行器电池温度检测***，其特征在于，所述分压电阻的电阻值为参考电阻电阻值的8至10倍。

6.根据权利要求2所述的无人飞行器电池温度检测***，其特征在于，所述数据处理模块为FPGA。

7.根据权利要求1所述的无人飞行器电池温度检测***，其特征在于，所述热敏电阻器置于电池组的中心位置，以灌胶的方式固定热敏电阻器两端引脚。

8.一种采用权利要求2～6中任一项所述的无人飞行器电池温度检测***的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、加电后，电压数据采集模块检测参考电阻两端的供电电压信号后，进行转换工作，获得电压数字量，结果传给数据处理模块；

S2、数据处理模块收到参考电阻两端的供电电压V_col，首先与电压数据采集模块采集电路内部三次电源电压V_3v3进行对比，若V_col≥V_3v3,则参考电阻两端的供电电压为异常，向上位机上报故障；若V_col<V_3v3,则参考电阻两端的供电电压值为正常，计算热敏电阻的电阻值：

其中，R_ntc为热敏电阻的电阻值，V_ref为无人机供电电压，R_ref为已知的参考电阻值，R_par为分压电阻值，V_col为参考电阻的电压值；

S3、根据热敏电阻的电阻值查询温度曲线表，得到对应的电池组温度。

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