基于CAN總線(xiàn)的溫度檢測節點(diǎn)設計(圖)

　　在對電子點(diǎn)火模塊的測試中，為了模擬電子點(diǎn)火系統的真實(shí)工況，電子點(diǎn)火模塊往往被置于高于常溫的環(huán)境下進(jìn)行電子點(diǎn)火實(shí)驗，以獲得最接近真實(shí)汽車(chē)運行工況的點(diǎn)火參數數據。由于電子點(diǎn)火模塊自身的發(fā)熱，其核心元件的溫度成為影響電子模塊性能的重要因素；另外，還要考慮環(huán)境溫度是否達到模擬真實(shí)工況的要求等。

　　本文介紹了一種應用LM35溫度傳感器和PICMicro的溫度檢測節點(diǎn)的設計方案，用于檢測在模擬汽車(chē)電子點(diǎn)火的過(guò)程中，電子點(diǎn)火模塊的核心模塊溫度和環(huán)境溫度，將闡明模塊結構、工作原理及采樣值量化的方法。

　　節點(diǎn)原理與結構

　　該溫度檢測節點(diǎn)由傳感器電路、信號調理電路、單片機應用系統、CAN總線(xiàn)接口等構成。電路基本工作原理是：傳感器電路將感應到的溫度信號以電壓的形式輸出到信號調理電路，信號經(jīng)過(guò)調理后輸入到A/D采樣電路，由ADC將數字量值送給單片機系統。單片機系統將監控實(shí)時(shí)溫度，當溫度超過(guò)警戒值和危險值時(shí)，單片機將主動(dòng)發(fā)送警告信息到上位機，提醒操作人員檢查。模塊邏輯結構如圖1所示。

　　圖1 溫度檢測節點(diǎn)邏輯結構

　　傳感器電路采用溫度傳感器LM35，供電電壓為15V直流，工作電流為120mA ，功耗極低，在全溫度范圍工作時(shí)，電流變化很小，電壓輸出采用差動(dòng)信號方式，由2、3引腳直接輸出。LM35輸出信號經(jīng)過(guò)一個(gè)由RC組成的LP濾波器，濾除高頻的噪聲干擾。

　　本節點(diǎn)的核心MCU是PIC16F87x，是Microchip公司推出的低功耗8位單片機。PIC16F87x擁有精簡(jiǎn)指令集，執行速度為200ns。CAN 控制器采用Microchip公司的MCP2510，總線(xiàn)驅動(dòng)器采用PCA82C250，總線(xiàn)隔離電路采用光耦6N317，信號調理電路采用LF412。溫度監測模塊的硬件結構如圖2所示。

　　圖2 溫度監測模塊硬件結構

　　信號調理電路主要完成對傳感器信號放大和限幅的功能，將傳感器電路輸出的變化范圍為2V左右的直流電壓，調理為符合PICMicro的AD接口的電壓范圍，既不能超過(guò)AD采樣的量程，又要有相當的信號精度。單片機通過(guò)A/D采樣通道采集傳感器的溫度數據，并計算溫度范圍。

　　外圍設備電路為PIC16F87x最小系統運行所需要的必要外設。PIC16F87x通過(guò)SPI總線(xiàn)與MCP2510進(jìn)行數據交換，完成CAN總線(xiàn)數據包的發(fā)送和接收，其接口電路如圖3所示。

　　圖3 PIC16F877與MCP2510的接口電路

　　其中，SCK為SPI總線(xiàn)時(shí)鐘，PIC16F87x模塊的SPI接口接MCP2510的SI、SO、SCK，RA4與RA1分別控制MCP2510的芯片復位和片選。INT接受MCP2510的中斷請求。

　　系統軟件設計

　　1系統軟件流程

　　為了避免因干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作，軟件采取了一些冗余和容錯處理，在A(yíng)/D模塊處理采樣數據時(shí)，采用了軟件濾波措施，以濾除電路中可能會(huì )出現的尖峰干擾。

　　方法為連續采樣五次，通過(guò)比較判斷，去掉其中的最大值和最小值, 其余三次的值求和后取平均值，把平均值作為CPU用來(lái)劃分溫度范圍的有效數據。數據包的解析和封裝都遵循CAN的應用層協(xié)議，主程序流程如圖4所示。

　　圖4 主程序流程

　　當CPU檢測到溫度出現異常，會(huì )根據溫度異常范圍向上位機發(fā)出溫度異常警報，這是該節點(diǎn)CPU唯一主動(dòng)向上位機發(fā)出的數據幀。該節點(diǎn)的溫度相關(guān)數據存放在緩沖區，在沒(méi)有收到上位機數據請求的時(shí)候，該緩沖區的數據會(huì )不斷的被新的數據刷新，以保證該節點(diǎn)數據的實(shí)時(shí)性，中斷流程如圖5所示。

　　圖5 CAN接收中斷流程

　　2 采樣值的量化方法

　　采樣值的準確量化是溫控電路正常工作的關(guān)鍵，這里采用以下?lián)Q算辦法來(lái)進(jìn)行量化。設經(jīng)過(guò)信號調理后的電壓為Ui，則-10VUi10V，已知-10V對應的溫度是-55℃，10V對應的溫度為125℃，易求得比例因數Kt = 0.111V/℃。溫度為0℃時(shí)，ΔT= 55℃（相當于-55℃時(shí)的變化量）。

　　Ui=-10V+ΔT·Kt=-10V+55℃×0.111V/℃=-3.895V。

　　Ui轉換為數字量后，每個(gè)數字量對應電壓值為19.531mV，用Ks表示?？梢郧蟮脭底至孔兓蜏囟茸兓g的對應關(guān)系：Kt/Ks =（0.111V/℃）/（19.531mV/數字量）=5.683數字量/℃。

　　其他溫度對應的數字量也可以通過(guò)以上方法算出。

　　3 SPI接口通信

　　PIC16F87x通過(guò)SPI接口和MCP2510進(jìn)行數據交換。

　　MCP2510 設計可與許多微控制器的串行外設接口（SPI）直接相連。外部數據和命令通過(guò)SI引腳傳送到器件中，而數據在SCK時(shí)鐘信號的上升沿傳送進(jìn)去。

　　MCP2510在SCK下降沿通過(guò)SO 引腳發(fā)送表1列出了所有操作的指令字節。

　　以PIC16F87x向MCP2510發(fā)送讀指令為例，來(lái)說(shuō)明SPI接口通信過(guò)程。

　　在讀操作開(kāi)始時(shí)，CS 引腳將被置為低電平。隨后讀指令和8位地址碼(A7～A0)將被依次送入MCP2510。在接收到讀指令和地址碼之后，MCP2510指定地址寄存器中的數據將被移出通過(guò)SO引腳進(jìn)行發(fā)送。每一數據字節移出后，器件內部的地址指針將自動(dòng)加一以指向下一地址。因此可以對下一個(gè)連續地址寄存器進(jìn)行讀操作。通過(guò)該方法可以順序讀取任意一個(gè)連續地址寄存器中的數據。通過(guò)拉高 CS 引腳電平可以結束讀操作，如圖6所示。

　　圖6 SPI 接口通信時(shí)序

　　結束語(yǔ)

　　基于LM35開(kāi)發(fā)的溫控節點(diǎn)工作穩定性強、可靠性高、且具有體積小、靈敏度高、響應時(shí)間短、抗干擾能力強等特點(diǎn)。該節點(diǎn)成本低廉，器件均為常規元件，有較高的工程價(jià)值。本節點(diǎn)擁有CAN接口，既可以作為一個(gè)獨立的檢測系統，也可以作為分布式測試系統的一個(gè)關(guān)鍵部分。CAN的上層協(xié)議都可以在軟件中實(shí)現，使得本節點(diǎn)接口靈活，不受上層協(xié)議的限制。