利用CAN總線(xiàn)的進(jìn)行汽車(chē)輪速傳感器系統設計

引言

　　目前，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是汽車(chē)電子領(lǐng)域發(fā)展的一項新技術(shù)。它不僅是解決汽車(chē)電子化中的線(xiàn)路復雜和線(xiàn)束增加問(wèn)題的技術(shù)，而且其通訊和資源共享能力成為新的電子與計算機技術(shù)在車(chē)上應用的一個(gè)基礎，是車(chē)上信息與控制系統的支撐。

　　汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò )按功能可分為面向控制的網(wǎng)絡(luò )(CON)和面向信息傳輸的網(wǎng)絡(luò )(ION)。按網(wǎng)絡(luò )信息傳輸速度，美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )(SAE)將網(wǎng)絡(luò )分為 A，B，C三類(lèi)。A類(lèi)為低速網(wǎng)，波特率在9600bps以下，進(jìn)而波特率在125kbps以下為中速網(wǎng)B類(lèi)，125kbps以上為高速網(wǎng)C類(lèi)。車(chē)輪速度 (即車(chē)輪繞輪軸旋轉的線(xiàn)速度)傳感器(簡(jiǎn)稱(chēng)輪速傳感器)信號，可供發(fā)動(dòng)機控制模塊、防抱制動(dòng)系統(ABS)控制模塊及儀表控制模塊共享，使車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中，防抱制動(dòng)控制模塊和發(fā)動(dòng)機控制模塊聯(lián)合控制，達到最佳制動(dòng)效能。發(fā)達國家雖已普遍使用ABS系統，但對輪速信號處理的方法以硬件和軟件的形式作為 ABS系統的電子控制器(ECU)的一部分而制成專(zhuān)用電路和芯片加以保護。國內對輪速信號的處理大多存在輪速識別的門(mén)檻值過(guò)高(車(chē)速即車(chē)體的速度低于 10km/h時(shí)就無(wú)法正確測量車(chē)輪速度)的問(wèn)題。

　　筆者利用研制的轉鼓輪速傳感器試驗臺進(jìn)行試驗，針對輪速傳感器產(chǎn)生的信號特點(diǎn)，設計了基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)輪速傳感器信號處理電路，并用單片機對此信號采集、量化。結果顯示:設計出的輪速傳感器系統具有輪速測量門(mén)檻低(車(chē)速達3km/h)、工作可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，可作為CAN總線(xiàn)局域網(wǎng)的測點(diǎn)，實(shí)現傳感器信號的數字化、網(wǎng)絡(luò )化的變送。

　　輪速傳感器

　　由于磁電式傳感器工作穩定可靠，幾乎不受溫度、灰塵等環(huán)境因素的影響，所以，目前在汽車(chē)中使用的輪速傳感器廣泛采用變磁阻式電磁傳感器。變磁阻式輪速傳感器由定子和轉子組成。定子包括感應線(xiàn)圈和磁頭(為永久磁鐵構成的磁級)兩部分。轉子可以是齒圈或齒輪兩種形式。磁頭固定在磁極支架上，支架固定在長(cháng)軸上，齒圈通過(guò)輪轂、制動(dòng)轂連為一體，長(cháng)軸穿過(guò)車(chē)輪與內部的軸承配合。

　　轉子的轉速與車(chē)輪的角速度成正比。轉鼓帶動(dòng)車(chē)輪轉動(dòng)，傳感器轉子的齒頂、齒間的間隙交替地與磁極接近、離開(kāi)，使定子感應線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)周期性的變化，在線(xiàn)圈中感應出交流正弦波信號?？刂圃囼炁_使車(chē)輪運轉在各種工況，對傳感器輸出信號進(jìn)行測量。實(shí)驗結果表明了變磁阻式輪速傳感器產(chǎn)生的信號具有如下特征：

　　(1)傳感器產(chǎn)生的信號為接近零均值的正弦波信號；

　　(2)正弦波信號的幅值受氣隙間隔(磁頭與齒圈間的氣隙，一般在1.0mm左右為最理想)和車(chē)輪轉速的影響。氣隙間隔越小，車(chē)輪速度越高，正弦波信號的幅值越大；

　　(3)正弦波信號的頻率受齒圈的齒數和車(chē)輪轉速的影響，為每秒鐘經(jīng)過(guò)磁頭線(xiàn)圈的齒數，即等于齒圈齒數乘以每秒鐘的輪速。

　　 試驗模擬的是BJ212車(chē)型的前輪，用轉鼓轉速模擬車(chē)速。當控制轉鼓轉速為3km/h時(shí)，88齒的傳感器產(chǎn)生正弦波信號的幅值約為1V，其頻率為 31Hz；當控制轉鼓轉速為100km/h時(shí)，傳感器產(chǎn)生的正弦波信號的幅值約為7V，其頻率為1037Hz。由于齒輪加工產(chǎn)生的毛刺和其它環(huán)境因素的影響，實(shí)際信號為在上述信號中疊加了一定頻率成分干擾信號。

　　輪速信號的檢測

　　將輪速傳感器輸出的每個(gè)正弦波信號調理整形產(chǎn)生一個(gè)方波信號，后續電路對方波信號的處理可有以下幾種方法：(1)直接送單片機的T0記數，用T1作定時(shí)器。在每個(gè)T1定時(shí)時(shí)間內讀出T0的記數值，經(jīng)計算得到輪速；(2)將方波信號先進(jìn)行F/V轉換，再由單片機A/D轉換而得到輪速；(3)方波信號送單片機的外部中斷/INT0引腳，將其設定為邊沿觸發(fā)方式，用T1作定時(shí)器對方波信號進(jìn)行周期測量，經(jīng)計算得到輪速。第一種方法在低速時(shí)所測得的輪速誤差較大。假定輪速不變，每個(gè)T1定時(shí)時(shí)間讀一次T0的記數值，在T1i和T1i+1時(shí)間內讀得數值由于讀數時(shí)磁頭與齒頂的位置關(guān)系有時(shí)會(huì )相差1，輪速較低時(shí)，T1定時(shí)時(shí)間內T0的記數值較小，因而相對誤差較大，導致輪速識別的門(mén)檻值過(guò)高。第二種方法可提高低速時(shí)的測量準確度，但增加了硬件F/V和A/D轉換芯片的開(kāi)支。第三種方法可以在不增加硬件開(kāi)支的前提下，有效地提高低速時(shí)的測量準確度。

　　輪速傳感器系統硬件

　　輪速傳感器系統的硬件以80C31單片微機為核心(外部擴展8kRAM和8kEPROM)。外圍電路有信號處理電路、總線(xiàn)控制及總線(xiàn)接口等電路。

　　輪速傳感器產(chǎn)生信號經(jīng)濾波、整形、光電隔離后，送80C31的/INT0輸入引腳。T1作定時(shí)器使用，對脈沖信號進(jìn)行周期測量。 SJA1000，82C250組成與CAN總線(xiàn)的控制和接口電路。在輪速傳感器的設計過(guò)程中，充分考慮其抗干擾和穩定性，單片機的輸入/輸出端均采用光電隔離，用看門(mén)狗定時(shí)器(MAX813)進(jìn)行超時(shí)復位，確保系統可靠工作。

信號處理電路

　　根據輪速傳感器信號特性，處理電路由限幅電路、濾波電路和比較整形電路組成。

　　限幅電路將輪速傳感器輸出信號Vi正半周的幅值限制在5V以下，負半周使其輸出為-0.6V。濾波電路設計成帶反饋的有源低通濾波器，其截止頻率為 2075Hz(按最高車(chē)速為200km/h設計，傳感器輸出信號對應的頻率)，選Q=0.707。比較整形電路中設置一定的比較電壓，與濾波器輸出信號相比較輸出方波信號。LM311N輸出方波的幅值為10V，經(jīng)R5，R6分壓后得幅值為5V的方波信號送光電隔離器。

　　總線(xiàn)通信電路

　　總線(xiàn)接口電路包括傳感器與CAN總線(xiàn)接口和儀表板節點(diǎn)與CAN總線(xiàn)接口。通過(guò)總線(xiàn)接口電路實(shí)現傳感器和節點(diǎn)間的數據、控制指令和狀態(tài)信息的傳送。使用總線(xiàn)接口容易形成總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò )的車(chē)輛局域網(wǎng)拓撲結構。具有結構簡(jiǎn)單、成本低、可靠性較高等特點(diǎn)。

　　傳感器與CAN總線(xiàn)的接口以CAN控制器SJA1000為核心，通過(guò)82C250實(shí)現傳感器與物理總線(xiàn)的接口。CAN總線(xiàn)物理層和數據連路層的所有功能由通信控制器SJA1000來(lái)完成。它具有BasicCAN(82C200兼容模式)和PeliCAN(擴展特性)2種工作模式，采用多主結構，具有與各種類(lèi)型的微處理器相連地接口。

　　SJA1000的引腳功能和電器特性與82C200完全兼容，較82C200具有更強的錯誤診斷和處理功能。它具有編程時(shí)鐘輸出，可編程的傳輸速率(最高達1Mbps)，可編程的輸出驅動(dòng)器組態(tài)，可組態(tài)的總線(xiàn)接口，用識別碼信息定義總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權?？刂破魇褂梅奖?、價(jià)格便宜、工作環(huán)境溫度范圍 (-40～125℃)，特別適合于汽車(chē)及工業(yè)環(huán)境使用。

　　82C250作為CAN總線(xiàn)控制器和物理總線(xiàn)間的接口，是為汽車(chē)高速傳輸信息(最高為1Mbps)設計的。它提供對CAN控制器的差動(dòng)接收功能和對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力，完全與ISO11898標準兼容。在運動(dòng)環(huán)境中，具有抗瞬變、抗射頻和抗電磁干擾性能，內部的限流電路具有電路短路時(shí)對傳送輸出級進(jìn)行保護的功能。芯片的特色是通過(guò)對Rs(8號)引腳輸入電平的設計，可工作于3種工作方式：(1)高速方式(Vrs0.3Vcc)；(2)斜率方式 (0.4Vcc0.75Vcc)。芯片以高速方式工作時(shí)，發(fā)送輸出晶體管盡可能快的簡(jiǎn)單地開(kāi)和關(guān)，不測量限制上升和下降的斜率，要用屏蔽電纜來(lái)避免射頻干擾。當芯片以斜率方式工作時(shí)，總線(xiàn)可用非屏蔽的雙絞線(xiàn)或并行線(xiàn)。對上升和下降的斜率的限制，取決于Rs引腳到地的連接電阻值，并與Rs引腳的電流成正比。

　　SJA1000，82C250的信號電平與TTL兼容，可直接接口。但為提高可靠性和抗干擾性能，在智能傳感器的設計中，它們之間用光電隔離。 SJA1000的RD，WR，ALE，INT分別與80C31的RD，WR，ALE，INT0引腳相連。80C31的P0.0～P0.7與SJA1000 的AD0～AD7接口，80C31和SJA1000用統一的5V電源供電。給SJA1000的RX1腳提供約0.5Vcc的維持電位。82C250的 CANH，CANL間并接120Ω匹配電阻后接至物理總線(xiàn)，Rs引腳接地，選擇高速方式。傳輸介質(zhì)采用屏蔽線(xiàn)，以提高總線(xiàn)接口的抗干擾能力。

　　試驗結果

　　先作信號處理電路試驗。用XD5-1信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波模擬傳感器信號輸入電路，用雙蹤示波器觀(guān)察輸入輸出波形。輸入信號在峰值0.6V以上時(shí)，電路輸出方波、無(wú)信號丟失。頻率從20～2075Hz，同樣，試驗也無(wú)信號丟失。信號小于0.6V時(shí)，無(wú)方波輸出，即低于0.6V的噪聲進(jìn)不了微機系統?？赏ㄟ^(guò)調節電路中R2，R3的阻值改變最小信號的門(mén)檻值。在轉鼓傳感器試驗臺上對傳感器信號作試驗。

　　BJ212車(chē)型前輪的半徑是0.375m，磁感應式傳感器的齒圈為88齒。表中測速系統顯示值與車(chē)速表讀數值之差是因為車(chē)速表誤差之故。車(chē)速從 3～200km/h，對應的頻率從31～2075Hz，設計的測速系統完全覆蓋了此車(chē)速范圍。用非接觸式紅外測速表檢驗時(shí)，誤差在0.3%之內，證明了傳感器及信號處理電路的合理性。與儀表盤(pán)節點(diǎn)的信息傳輸試驗:傳感器測速系統與儀表盤(pán)節點(diǎn)的接收和發(fā)送信號一致;發(fā)送和接收到的信號的數據格式與設定的11 位數據格式一致。

　　結論

　　基于CAN總線(xiàn)的輪速傳感器充分發(fā)揮了磁感應式傳感器的潛能，具有車(chē)速識別的門(mén)檻值低(3km/h)、測量準確度高、實(shí)用性和抗干擾性強、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，適合在汽車(chē)運動(dòng)環(huán)境中使用，且易于與其它測控節點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現傳感器數據的網(wǎng)絡(luò )化傳輸。