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(xiàng)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(wèn)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(jì)算機(jī)技術(shù)在車上應(yīng)用的一個(gè)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(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(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(jìn)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(jiǎn)稱輪速傳感器)信號(hào)，可供發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)控制模塊及儀表控制模塊共享，使車輛在制動(dòng)過(guò)程中，防抱制動(dòng)控制模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊聯(lián)合控制，達(dá)到最佳制動(dòng)效能。發(fā)達(dá)國(guó)家雖已普遍使用ABS系統(tǒng)，但對(duì)輪速信號(hào)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(hù)。國(guó)內(nèi)對(duì)輪速信號(hào)的處理大多存在輪速識(shí)別的門檻值過(guò)高(車速即車體的速度低于10km/h時(shí)就無(wú)法正確測(cè)量車輪速度)的問(wèn)題。
筆者利用研制的轉(zhuǎn)鼓輪速傳感器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，針對(duì)輪速傳感器產(chǎn)生的信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的汽車輪速傳感器信號(hào)處理電路，并用單片機(jī)對(duì)此信號(hào)采集、量化。結(jié)果顯示:設(shè)計(jì)出的輪速傳感器系統(tǒng)具有輪速測(cè)量門檻低(車速達(dá)3km/h)、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，可作為CAN總線局域網(wǎng)的測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)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(jí))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(zhǎng)軸上，齒圈通過(guò)輪轂、制動(dòng)轂連為一體，長(zhǎng)軸穿過(guò)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(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器轉(zhuǎn)子的齒頂、齒間的間隙交替地與磁極接近、離開(kāi)，使定子 感應(yīng)線圈中的磁場(chǎng)周期性的變化，在線圈中感應(yīng)出交流正弦波信號(hào)。控制試驗(yàn)臺(tái)使車輪運(yùn)轉(zhuǎn)在各種工況，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了變磁阻式輪速傳感器產(chǎn)生的信號(hào)具有如下特征：
(1)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)為接近零均值的正弦波信號(hào)；
(2)正弦波信號(hào)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(hào)的幅值越大；
(3)正弦波信號(hào)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(guò)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(yàn)?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(shí)，88齒的傳感器產(chǎn)生正弦波信號(hào)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(shí)，傳感器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)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(shí)際信號(hào)為在上述信號(hào)中疊加了一定頻率成分干擾信號(hào)。
輪速信號(hào)的檢測(cè)
將輪速傳感器輸出的每個(gè)正弦波信號(hào)調(diào)理整形產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，后續(xù)電路對(duì)方波信號(hào)的處理可有以下幾種方法：(1)直接送單片機(jī)的T0記數(shù)，用T1作定時(shí)器。在每個(gè)T1定時(shí)時(shí)間內(nèi)讀出T0的記數(shù)值，經(jīng)計(jì)算得到輪速；(2)將方波信號(hào)先進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換而得到輪速；(3)方波信號(hào)送單片機(jī)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(shí)器對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)量，經(jīng)計(jì)算得到輪速。第一種方法在低速時(shí)所測(cè)得的輪速誤差較大。假定輪速不變，每個(gè)T1定時(shí)時(shí)間讀一次T0的記數(shù)值，在T1i和T1i+1時(shí)間內(nèi)讀得數(shù)值由于讀數(shù)時(shí)磁頭與齒頂?shù)奈恢藐P(guān)系有時(shí)會(huì)相差1，輪速較低時(shí)，T1定時(shí)時(shí)間內(nèi)T0的記數(shù)值較小，因而相對(duì)誤差較大，導(dǎo)致輪速識(shí)別的門檻值過(guò)高。第二種方法可提高低速時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確度，但增加了硬件F/V和A/D轉(zhuǎn)換芯片的開(kāi)支。第三種方法可以在不增加硬件開(kāi)支的前提下，有效地提高低速時(shí)的測(cè)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(jī)為核心(外部擴(kuò)展8kRAM和8kEPROM)。外圍電路有信號(hào)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(hào)經(jīng)濾波、整形、光電隔離后，送80C31的/INT0輸入引腳。T1作定時(shí)器使用，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)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(jì)過(guò)程中，充分考慮其抗干擾和穩(wěn)定性，單片機(jī)的輸入/輸出端均采用光電隔離，用看門狗定時(shí)器(MAX813)進(jìn)行超時(shí)復(fù)位，確保系統(tǒng)可靠工作。
信號(hào)處理電路
根據(jù)輪速傳感器信號(hào)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(hào)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(jì)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(jì)，傳感器輸出信號(hào)對(duì)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(hào)相比較輸出方波信號(hào)。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(hào)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(diǎn)與CAN總線接口。通過(guò)總線接口電路實(shí)現(xiàn)傳感器和節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)單、成本低、可靠性較高等特點(diǎn)。
傳感器與CAN總線的接口以CAN控制器SJA1000為核心，通過(guò)82C250實(shí)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(lái)完成。它具有BasicCAN(82C200兼容模式)和PeliCAN(擴(kuò)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(qiáng)的錯(cuò)誤診斷和處理功能。它具有編程時(shí)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(dòng)器組態(tài)，可組態(tài)的總線接口，用識(shí)別碼信息定義總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)。控制器使用方便、價(jià)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(jì)的。它提供對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收功能和對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力，完全與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。在運(yùn)動(dòng)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(shí)對(duì)傳送輸出級(jí)進(jìn)行保護(hù)的功能。芯片的特色是通過(guò)對(duì)Rs(8號(hào))引腳輸入電平的設(shè)計(jì)，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(shí)，發(fā)送輸出晶體管盡可能快的簡(jiǎn)單地開(kāi)和關(guān)，不測(cè)量限制上升和下降的斜率，要用屏蔽電纜來(lái)避免射頻干擾。當(dāng)芯片以斜率方式工作時(shí)，總線可用非屏蔽的雙絞線或并行線。對(duì)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(hào)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(jì)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(yàn)結(jié)果
先作信號(hào)處理電路試驗(yàn)。用XD5-1信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波模擬傳感器信號(hào)輸入電路，用雙蹤示波器觀察輸入輸出波形。輸入信號(hào)在峰值0.6V以上時(shí)，電路輸出方波、無(wú)信號(hào)丟失。頻率從20～2075Hz，同樣，試驗(yàn)也無(wú)信號(hào)丟失。信號(hào)小于0.6V時(shí)，無(wú)方波輸出，即低于0.6V的噪聲進(jìn)不了微機(jī)系統(tǒng)。可通過(guò)調(diào)節(jié)電路中R2，R3的阻值改變最小信號(hào)的門檻值。在轉(zhuǎn)鼓傳感器試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)傳感器信號(hào)作試驗(yàn)。
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(cè)速系統(tǒng)顯示值與車速表讀數(shù)值之差是因?yàn)檐囁俦碚`差之故。車速?gòu)?～200km/h，對(duì)應(yīng)的頻率從31～2075Hz，設(shè)計(jì)的測(cè)速系統(tǒng)完全覆蓋了此車速范圍。用非接觸式紅外測(cè)速表檢驗(yàn)時(shí)，誤差在0.3%之內(nèi)，證明了傳感器及信號(hào)處理電路的合理性。與儀表盤節(jié)點(diǎn)的信息傳輸試驗(yàn):傳感器測(cè)速系統(tǒng)與儀表盤節(jié)點(diǎn)的接收和發(fā)送信號(hào)一致;發(fā)送和接收到的信號(hào)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(shí)別的門檻值低(3km/h)、測(cè)量準(zhǔn)確度高、實(shí)用性和抗干擾性強(qiáng)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，適合在汽車運(yùn)動(dòng)環(huán)境中使用，且易于與其它測(cè)控節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。
