基于CAN總線的溫度檢測節(jié)點設(shè)計

在對電子點火模塊的測試中，為了模擬電子點火系統(tǒng)的真實工況，電子點火模塊往往被置于高于常溫的環(huán)境下進行電子點火實驗，以獲得最接近真實汽車運行工況的點火參數(shù)數(shù)據(jù)。由于電子點火模塊自身的發(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工況的要求等。

本文介紹了一種應(yīng)用LM35溫度傳感器和PICMicro的溫度檢測節(jié)點的設(shè)計方案，用于檢測在模擬汽車電子點火的過程中，電子點火模塊的核心模塊溫度和環(huán)境溫度，將闡明模塊結(jié)構(gòu)、工作原理及采樣值量化的方法。

節(jié)點原理與結(jié)構(gòu)

該溫度檢測節(jié)點由傳感器電路、信號調(diào)理電路、單片機應(yīng)用系統(tǒng)、CAN總線接口等構(gòu)成。電路基本工作原理是：傳感器電路將感應(yīng)到的溫度信號以電壓的形式輸出到信號調(diào)理電路，信號經(jīng)過調(diào)理后輸入到A/D采樣電路，由ADC將數(shù)字量值送給單片機系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)將監(jiān)控實時溫度，當(dāng)溫度超過警戒值和危險值時，單片機將主動發(fā)送警告信息到上位機，提醒操作人員檢查。模塊邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫度檢測節(jié)點邏輯結(jié)構(gòu)

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，電流變化很小，電壓輸出采用差動信號方式，由2、3引腳直接輸出。LM35輸出信號經(jīng)過一個由RC組成的LP濾波器，濾除高頻的噪聲干擾。

本節(jié)點的核心MCU是PIC16F87x，是Microchip公司推出的低功耗8位單片機。PIC16F87x擁有精簡指令集，執(zhí)行速度為200ns。CAN 控制器采用Microchip公司的MCP2510，總線驅(qū)動器采用PCA82C250，總線隔離電路采用光耦6N317，信號調(diào)理電路采用LF412。溫度監(jiān)測模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫度監(jiān)測模塊硬件結(jié)構(gòu)

信號調(diào)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(diào)理為符合PICMicro的AD接口的電壓范圍，既不能超過AD采樣的量程，又要有相當(dāng)?shù)男盘柧?。單片機通過A/D采樣通道采集傳感器的溫度數(shù)據(jù)，并計算溫度范圍。

外圍設(shè)備電路為PIC16F87x最小系統(tǒng)運行所需要的必要外設(shè)。PIC16F87x通過SPI總線與MCP2510進行數(shù)據(jù)交換，完成CAN總線數(shù)據(jù)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總線時鐘，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(fù)位和片選。INT接受MCP2510的中斷請求。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

1系統(tǒng)軟件流程

為了避免因干擾而產(chǎn)生誤動作，軟件采取了一些冗余和容錯處理，在A/D模塊處理采樣數(shù)據(jù)時，采用了軟件濾波措施，以濾除電路中可能會出現(xiàn)的尖峰干擾。

方法為連續(xù)采樣五次，通過比較判斷，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用來劃分溫度范圍的有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包的解析和封裝都遵循CAN的應(yīng)用層協(xié)議，主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

當(dāng)CPU檢測到溫度出現(xiàn)異常，會根據(jù)溫度異常范圍向上位機發(fā)出溫度異常警報，這是該節(jié)點CPU唯一主動向上位機發(fā)出的數(shù)據(jù)幀。該節(jié)點的溫度相關(guān)數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)，在沒有收到上位機數(shù)據(jù)請求的時候，該緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)會不斷的被新的數(shù)據(jù)刷新，以保證該節(jié)點數(shù)據(jù)的實時性，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(zhǔn)確量化是溫控電路正常工作的關(guān)鍵，這里采用以下?lián)Q算辦法來進行量化。設(shè)經(jīng)過信號調(diào)理后的電壓為Ui，則-10V<Ui<10V，已知-10V對應(yīng)的溫度是-55℃，10V對應(yīng)的溫度為125℃，易求得比例因數(shù)Kt = 0.111V/℃。溫度為0℃時，ΔT= 55℃（相當(dāng)于-55℃時的變化量）。

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

Ui轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，每個數(shù)字量對應(yīng)電壓值為19.531mV，用Ks表示?？梢郧蟮脭?shù)字量變化和溫度變化之間的對應(yīng)關(guān)系：Kt/Ks =（0.111V/℃）/（19.531mV/數(shù)字量）=5.683數(shù)字量/℃。

其他溫度對應(yīng)的數(shù)字量也可以通過以上方法算出。

3 SPI接口通信

PIC16F87x通過SPI接口和MCP2510進行數(shù)據(jù)交換。

MCP2510 設(shè)計可與許多微控制器的串行外設(shè)接口（SPI）直接相連。外部數(shù)據(jù)和命令通過SI引腳傳送到器件中，而數(shù)據(jù)在SCK時鐘信號的上升沿傳送進去。

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

以PIC16F87x向MCP2510發(fā)送讀指令為例，來說明SPI接口通信過程。

在讀操作開始時，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(shù)據(jù)將被移出通過SO引腳進行發(fā)送。每一數(shù)據(jù)字節(jié)移出后，器件內(nèi)部的地址指針將自動加一以指向下一地址。因此可以對下一個連續(xù)地址寄存器進行讀操作。通過該方法可以順序讀取任意一個連續(xù)地址寄存器中的數(shù)據(jù)。通過拉高 CS 引腳電平可以結(jié)束讀操作，如圖6所示。

圖6 SPI 接口通信時序

結(jié)束語

基于LM35開發(fā)的溫控節(jié)點工作穩(wěn)定性強、可靠性高、且具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)時間短、抗干擾能力強等特點。該節(jié)點成本低廉，器件均為常規(guī)元件，有較高的工程價值。本節(jié)點擁有CAN接口，既可以作為一個獨立的檢測系統(tǒng)，也可以作為分布式測試系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分。CAN的上層協(xié)議都可以在軟件中實現(xiàn)，使得本節(jié)點接口靈活，不受上層協(xié)議的限制。