張雨蒙 翁惠輝 舒福舟

摘 要：本文基于STM32單片機設(shè)計一種由CAN總線進行傳輸?shù)?，針對汽車發(fā)動機和變速箱測控系統(tǒng)的硬件電路，整個系統(tǒng)主要包括四類信號調(diào)理模塊電路，它們分別是基于壓力和液位的信號采集調(diào)理電路，基于溫度信號采集調(diào)理電路， 基于轉(zhuǎn)速的內(nèi)部定時器/計數(shù)器電路，并對此展開探討和研究。

關(guān)鍵詞： STM32單片機;CAN總線;調(diào)理電路;測控系統(tǒng)

0 引言

人們對汽車性能的需求中最為注重的是其動力性能，保證汽車動力性能的主要部件就是發(fā)動機，發(fā)動機基本上決定了一輛汽車是否具備良好的動力系統(tǒng)性能，因此發(fā)動機可以稱之為汽車的心臟，要想讓發(fā)動機具備良好的性能，需要研究開發(fā)人員由內(nèi)到外進行嚴(yán)格把關(guān)。我們所面臨的首要問題就是怎樣精準(zhǔn)迅速地獲取發(fā)動機和變速箱的各項性能參數(shù)。這樣我們對發(fā)動機的檢測，使發(fā)動機能正常工作才能變得有意義。

1 測控要求

1.1 傳感器類型

發(fā)動機和變速箱的主要參數(shù)有溫度、壓力、液位、轉(zhuǎn)速，具體檢測要求以及傳感器選型如下表所示：

1.2 總體方案設(shè)計

汽車測控網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段都是基于CAN總線協(xié)議的，因此為了方便把該系統(tǒng)掛接到汽車網(wǎng)絡(luò)上，形成一個測控節(jié)點，現(xiàn)需要設(shè)計一種基于CAN總線進行傳輸?shù)陌l(fā)動機數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。采用ST公司的 32位單片機 STM32作為主要部件， 以此設(shè)計一套具有 CAN 接口的發(fā)動機數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采集發(fā)動機的溫度、壓力等工況信號， 再把采集的信號用信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能可以對數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換， 用CAN總線把所有數(shù)據(jù)傳送給PC機， 在PC機上處理數(shù)據(jù)， 更加方便用戶使用。最終，為了方便維護師和自己的調(diào)試診斷測試，開發(fā)有485串口。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 ?模擬信號調(diào)理電路設(shè)計

2.1.1 ? 4～20mA信號采集調(diào)理電路（壓力，位置）

模擬量采集端的輸入4～20mA電流信號經(jīng)100 取樣電阻R3變?yōu)?.4V～2V輸入電壓;去耦電容C5濾去紋波，避免由于電流的突變而使電壓下降;RC低通濾波電路，得到運放AD8629正向輸入端的傳輸函數(shù)為

（4-1）

其中， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?。輸入電壓經(jīng)運算放大器AD8629同向放大2.5倍，AN端輸出1～5V電壓信號。具體設(shè)計電路如圖4-6所示：

2.1.2 ?PT100信號采集調(diào)理電路（溫度）

溫度的檢測采用了PT100溫度傳感器，測量溫度范圍為-50～150℃，輸出為4-20mA電流信號，它的精度和靈敏度及準(zhǔn)確度比較高，能夠耐腐蝕，由PT100的溫度與阻值特性曲線可知，溫度和電阻值基本成正比關(guān)系。PT100溫度檢測電路如圖4：

圖4的電路由三部分組成，分別為轉(zhuǎn)換電路、調(diào)零電路和調(diào)滿電路，分別是運放U1及其外圍電路和U3及其外圍電路、U2及其外圍電路。輸出電壓Vo的大小隨PT100阻值的變化而變化。

2.2 ?內(nèi)部定時器/計數(shù)器電路（轉(zhuǎn)速）

如果對發(fā)動機的綜合系統(tǒng)進行測控，其轉(zhuǎn)速是必不可少的一項檢測參數(shù)。區(qū)別于工作形式，大家大體上將轉(zhuǎn)速傳感器分為三種：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、光電式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。本文選擇的霍爾傳感器為SC12-20K轉(zhuǎn)速傳感器，使用的是專用齒輪轉(zhuǎn)速霍爾芯片，它是單片集成的一種真正的零速度數(shù)字微分霍爾效應(yīng)傳感器，主要用在汽車和工業(yè)產(chǎn)品中。它能夠感應(yīng)要求苛刻的傳輸和變速箱產(chǎn)品中的速度及精密間距的位置。這種傳感器為直接數(shù)字接口供給了一個開放集電極輸出，SC12-20K轉(zhuǎn)速傳感器使用2個高度集成的封裝。霍爾傳感器的旋轉(zhuǎn)體上有12個齒輪，則有12個脈沖信號。

本文中線路輸出所帶的負(fù)載（load）電路原理圖如下（下圖只畫出了一路轉(zhuǎn)速輸入信號，實際有四路轉(zhuǎn)速輸入信號）：

2.3 ?CAN總線接口設(shè)計

如今，大家普遍認(rèn)同CAN總線的高性能和可靠性，并在工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、船舶等各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用。CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，CAN 控制器是根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平。

每個CAN系統(tǒng)的全部控制單元并聯(lián)在CAN數(shù)據(jù)總線上，CAN數(shù)據(jù)總線的兩條導(dǎo)線各自是CAN-High和CAN-Low線，控制單元之間的數(shù)據(jù)交換是由這兩條導(dǎo)線來運作的，這些數(shù)據(jù)就是我們所要測控的物理量。

下圖7是CAN通信的電路原理圖

3 總結(jié)

本文提出了一套以32位微處理器---STM32單片機為核心的發(fā)動機綜合測控系統(tǒng)方案，采集溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等物理量以及通過CAN總線的上傳，介紹了各個部分的構(gòu)成及電路圖，完成了數(shù)據(jù)信號采集調(diào)理電路圖的設(shè)計，介紹說明了位置、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速四個系統(tǒng)主要檢測參數(shù)，簡要分析了相關(guān)傳感器的工作原理和性能優(yōu)缺點，最后進行了通信電路的設(shè)計。

參考文獻：

[1]任宇翔，徐璐.發(fā)動機性能試驗的概論與分析[J].裝備制造技術(shù)，2013，8：179-182

[2]殷平.基于虛擬儀器的發(fā)動機測控系統(tǒng)研制[D].南京：南京理工大學(xué)，2010

作者簡介：

張雨蒙 1991.7 男 漢族 湖北荊州 碩士 長江大學(xué)電子信息學(xué)院 ?434023 主要研究方向：自動檢測與控制。