利用CAN總線的進行汽車輪速傳感器系統(tǒng)設(shè)計

引言

　　目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是汽車電子領(lǐng)域發(fā)展的一項新技術(shù)。它不僅是解決汽車電子化中的線路復(fù)雜和線束增加問題的技術(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)在車上應(yīng)用的一個基礎(chǔ)，是車上信息與控制系統(tǒng)的支撐。

　　汽車電子網(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?shù)木W(wǎng)絡(luò)(ION)。按網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速度，美國汽車工程師協(xié)會(SAE)將網(wǎng)絡(luò)分為 A，B，C三類。A類為低速網(wǎng)，波特率在9600bps以下，進而波特率在125kbps以下為中速網(wǎng)B類，125kbps以上為高速網(wǎng)C類。車輪速度 (即車輪繞輪軸旋轉(zhuǎn)的線速度)傳感器(簡稱輪速傳感器)信號，可供發(fā)動機控制模塊、防抱制動系統(tǒng)(ABS)控制模塊及儀表控制模塊共享，使車輛在制動過程中，防抱制動控制模塊和發(fā)動機控制模塊聯(lián)合控制，達(dá)到最佳制動效能。發(fā)達(dá)國家雖已普遍使用ABS系統(tǒng)，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(tǒng)的電子控制器(ECU)的一部分而制成專用電路和芯片加以保護。國內(nèi)對輪速信號的處理大多存在輪速識別的門檻值過高(車速即車體的速度低于 10km/h時就無法正確測量車輪速度)的問題。

　　筆者利用研制的轉(zhuǎn)鼓輪速傳感器試驗臺進行試驗，針對輪速傳感器產(chǎn)生的信號特點，設(shè)計了基于CAN總線的汽車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(jié)果顯示:設(shè)計出的輪速傳感器系統(tǒng)具有輪速測量門檻低(車速達(dá)3km/h)、工作可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點，同時，可作為CAN總線局域網(wǎng)的測點，實現(xiàn)傳感器信號的數(shù)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(wěn)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(zhuǎn)子組成。定子包括感應(yīng)線圈和磁頭(為永久磁鐵構(gòu)成的磁級)兩部分。轉(zhuǎn)子可以是齒圈或齒輪兩種形式。磁頭固定在磁極支架上，支架固定在長軸上，齒圈通過輪轂、制動轂連為一體，長軸穿過車輪與內(nèi)部的軸承配合。

　　轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與車輪的角速度成正比。轉(zhuǎn)鼓帶動車輪轉(zhuǎn)動，傳感器轉(zhuǎn)子的齒頂、齒間的間隙交替地與磁極接近、離開，使定子感應(yīng)線圈中的磁場周期性的變化，在線圈中感應(yīng)出交流正弦波信號?？刂圃囼炁_使車輪運轉(zhuǎn)在各種工況，對傳感器輸出信號進行測量。實驗結(jié)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)和車輪轉(zhuǎn)速的影響。氣隙間隔越小，車輪速度越高，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(shù)和車輪轉(zhuǎn)速的影響，為每秒鐘經(jīng)過磁頭線圈的齒數(shù)，即等于齒圈齒數(shù)乘以每秒鐘的輪速。

　　 試驗?zāi)M的是BJ212車型的前輪，用轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速模擬車速。當(dāng)控制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3km/h時，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(dāng)控制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為100km/h時，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正弦波信號調(diào)理整形產(chǎn)生一個方波信號，后續(xù)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(shù)，用T1作定時器。在每個T1定時時間內(nèi)讀出T0的記數(shù)值，經(jīng)計算得到輪速；(2)將方波信號先進行F/V轉(zhuǎn)換，再由單片機A/D轉(zhuǎn)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(shè)定為邊沿觸發(fā)方式，用T1作定時器對方波信號進行周期測量，經(jīng)計算得到輪速。第一種方法在低速時所測得的輪速誤差較大。假定輪速不變，每個T1定時時間讀一次T0的記數(shù)值，在T1i和T1i+1時間內(nèi)讀得數(shù)值由于讀數(shù)時磁頭與齒頂?shù)奈恢藐P(guān)系有時會相差1，輪速較低時，T1定時時間內(nèi)T0的記數(shù)值較小，因而相對誤差較大，導(dǎo)致輪速識別的門檻值過高。第二種方法可提高低速時的測量準(zhǔn)確度，但增加了硬件F/V和A/D轉(zhuǎn)換芯片的開支。第三種方法可以在不增加硬件開支的前提下，有效地提高低速時的測量準(zhǔn)確度。

　　輪速傳感器系統(tǒng)硬件

　　輪速傳感器系統(tǒng)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、總線控制及總線接口等電路。

　　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作定時器使用，對脈沖信號進行周期測量。 SJA1000，82C250組成與CAN總線的控制和接口電路。在輪速傳感器的設(shè)計過程中，充分考慮其抗干擾和穩(wěn)定性，單片機的輸入/輸出端均采用光電隔離，用看門狗定時器(MAX813)進行超時復(fù)位，確保系統(tǒng)可靠工作。

信號處理電路

　　根據(jù)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(fù)半周使其輸出為-0.6V。濾波電路設(shè)計成帶反饋的有源低通濾波器，其截止頻率為 2075Hz(按最高車速為200km/h設(shè)計，傳感器輸出信號對應(yīng)的頻率)，選Q=0.707。比較整形電路中設(shè)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。

　　總線通信電路

　　總線接口電路包括傳感器與CAN總線接口和儀表板節(jié)點與CAN總線接口。通過總線接口電路實現(xiàn)傳感器和節(jié)點間的數(shù)據(jù)、控制指令和狀態(tài)信息的傳送。使用總線接口容易形成總線式網(wǎng)絡(luò)的車輛局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性較高等特點。

　　傳感器與CAN總線的接口以CAN控制器SJA1000為核心，通過82C250實現(xiàn)傳感器與物理總線的接口。CAN總線物理層和數(shù)據(jù)連路層的所有功能由通信控制器SJA1000來完成。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(jié)構(gòu)，具有與各種類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。它具有編程時鐘輸出，可編程的傳輸速率(最高達(dá)1Mbps)，可編程的輸出驅(qū)動器組態(tài)，可組態(tài)的總線接口，用識別碼信息定義總線訪問優(yōu)先權(quán)。控制器使用方便、價格便宜、工作環(huán)境溫度范圍 (-40～125℃)，特別適合于汽車及工業(yè)環(huán)境使用。

　　82C250作為CAN總線控制器和物理總線間的接口，是為汽車高速傳輸信息(最高為1Mbps)設(shè)計的。它提供對CAN控制器的差動接收功能和對總線的差動發(fā)送能力，完全與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。在運動環(huán)境中，具有抗瞬變、抗射頻和抗電磁干擾性能，內(nèi)部的限流電路具有電路短路時對傳送輸出級進行保護的功能。芯片的特色是通過對Rs(8號)引腳輸入電平的設(shè)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，發(fā)送輸出晶體管盡可能快的簡單地開和關(guān)，不測量限制上升和下降的斜率，要用屏蔽電纜來避免射頻干擾。當(dāng)芯片以斜率方式工作時，總線可用非屏蔽的雙絞線或并行線。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(shè)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(tǒng)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，Rs引腳接地，選擇高速方式。傳輸介質(zhì)采用屏蔽線，以提高總線接口的抗干擾能力。

　　試驗結(jié)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，用雙蹤示波器觀察輸入輸出波形。輸入信號在峰值0.6V以上時，電路輸出方波、無信號丟失。頻率從20～2075Hz，同樣，試驗也無信號丟失。信號小于0.6V時，無方波輸出，即低于0.6V的噪聲進不了微機系統(tǒng)。可通過調(diào)節(jié)電路中R2，R3的阻值改變最小信號的門檻值。在轉(zhuǎn)鼓傳感器試驗臺上對傳感器信號作試驗。

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

　　結(jié)論

　　基于CAN總線的輪速傳感器充分發(fā)揮了磁感應(yīng)式傳感器的潛能，具有車速識別的門檻值低(3km/h)、測量準(zhǔn)確度高、實用性和抗干擾性強、工作可靠等優(yōu)點，適合在汽車運動環(huán)境中使用，且易于與其它測控節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。