利用CAN總線的進行汽車輪速傳感器系統(tǒng)設計

引言

　　目前，網絡技術是汽車電子領域發(fā)展的一項新技術。它不僅是解決汽車電子化中的線路復雜和線束增加問題的技術，而且其通訊和資源共享能力成為新的電子與計算機技術在車上應用的一個基礎，是車上信息與控制系統(tǒng)的支撐。

　　汽車電子網絡按功能可分為面向控制的網絡(CON)和面向信息傳輸?shù)木W絡(ION)。按網絡信息傳輸速度，美國汽車工程師協(xié)會(SAE)將網絡分為 A，B，C三類。A類為低速網，波特率在9600bps以下，進而波特率在125kbps以下為中速網B類，125kbps以上為高速網C類。車輪速度 (即車輪繞輪軸旋轉的線速度)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，達到最佳制動效能。發(fā)達國家雖已普遍使用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。

　　筆者利用研制的轉鼓輪速傳感器試驗臺進行試驗，針對輪速傳感器產生的信號特點，設計了基于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。結果顯示:設計出的輪速傳感器系統(tǒng)具有輪速測量門檻低(車速達3km/h)、工作可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點，同時，可作為CAN總線局域網的測點，實現(xiàn)傳感器信號的數(shù)字化、網絡化的變送。

　　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子組成。定子包括感應線圈和磁頭(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，支架固定在長軸上，齒圈通過輪轂、制動轂連為一體，長軸穿過車輪與內部的軸承配合。

　　轉子的轉速與車輪的角速度成正比。轉鼓帶動車輪轉動，傳感器轉子的齒頂、齒間的間隙交替地與磁極接近、離開，使定子感應線圈中的磁場周期性的變化，在線圈中感應出交流正弦波信號。控制試驗臺使車輪運轉在各種工況，對傳感器輸出信號進行測量。實驗結果表明了變磁阻式輪速傳感器產生的信號具有如下特征：

　　(1)傳感器產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)和車輪轉速的影響，為每秒鐘經過磁頭線圈的齒數(shù)，即等于齒圈齒數(shù)乘以每秒鐘的輪速。

　　 試驗模擬的是BJ212車型的前輪，用轉鼓轉速模擬車速。當控制轉鼓轉速為3km/h時，88齒的傳感器產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，傳感器產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理整形產生一個方波信號，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定時時間內讀出T0的記數(shù)值，經計算得到輪速；(2)將方波信號先進行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作定時器對方波信號進行周期測量，經計算得到輪速。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時間內讀得數(shù)值由于讀數(shù)時磁頭與齒頂?shù)奈恢藐P系有時會相差1，輪速較低時，T1定時時間內T0的記數(shù)值較小，因而相對誤差較大，導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確度，但增加了硬件F/V和A/D轉換芯片的開支。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。

　　輪速傳感器產生信號經濾波、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絡的車輛局域網拓撲結構。具有結構簡單、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，采用多主結構，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1Mbps)，可編程的輸出驅動器組態(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。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標準兼容。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)引腳輸入電平的設計，可工作于3種工作方式：(1)高速方式(Vrs<0.3Vcc)；(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，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。傳輸介質采用屏蔽線，以提高總線接口的抗干擾能力。

　　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)。可通過調節(jié)電路中R2，R3的阻值改變最小信號的門檻值。在轉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，對應的頻率從31～2075Hz，設計的測速系統(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，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)格式與設定的11 位數(shù)據(jù)格式一致。

　　結論

　　基于CAN總線的輪速傳感器充分發(fā)揮了磁感應式傳感器的潛能，具有車速識別的門檻值低(3km/h)、測量準確度高、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)點組成網絡，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的網絡化傳輸。