利用CAN总线的进行汽车轮速传感器设计

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       目前,网络技术是汽车电子领域发展的一项新技术。它不仅是解决汽车电子化中的线路复杂和线束增加问题的技术,而且其通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在车上应用的一个基础,是车上信息与控制系统的支撑。

  汽车电子网络按功能可分为面向控制的网络(CON)和面向信息传输的网络(ION)。按网络信息传输速度,美国汽车工程师协会(SAE)将网络分为A, B,C三类。A类为低速网,波特率在9600bps以下,进而波特率在125kbps以下为中速网B类,125kbps以上为高速网C类。车轮速度(即车轮绕轮轴旋转的线速度)传感器(简称轮速传感器)信号,可供发动机控制模块、防抱制动系统(ABS)控制模块及仪表控制模块共享,使车辆在制动过程中,防抱制动控制模块和发动机控制模块联合控制,达到最佳制动效能。发达国家虽已普遍使用ABS系统,但对轮速信号处理的方法以硬件和软件的形式作为ABS系统的电子控制器(ECU)的一部分而制成专用电路和芯片加以保护。国内对轮速信号的处理大多存在轮速识别的门槛值过高(车速即车体的速度低于10km/h时就无法正确测量车轮速度)的问题。

  笔者利用研制的转鼓轮速传感器试验台进行试验,针对轮速传感器产生的信号特点,设计了基于CAN总线的汽车轮速传感器信号处理电路,并用单片机对此信号采集、量化。结果显示:设计出的轮速传感器系统具有轮速测量门槛低(车速达3km/h)、工作可靠、抗干扰能力强等优点,同时,可作为CAN总线局域网的测点,实现传感器信号的数字化、网络化的变送。

  轮速传感器

  由于磁电式传感器工作稳定可靠,几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响,所以,目前在汽车中使用的轮速传感器广泛采用变磁阻式电磁传感器。变磁阻式轮速传感器由定子和转子组成。定子包括感应线圈和磁头(为永久磁铁构成的磁级)两部分。转子可以是齿圈或齿轮两种形式。齿轮形式的转子如图1(a)所示。磁头固定在磁极支架上,支架固定在长轴上,齿圈通过轮毂、制动毂连为一体,长轴穿过车轮与内部的轴承配合,如图1(b)所示。

  

轮速传感器

  转子的转速与车轮的角速度成正比。转鼓带动车轮转动,传感器转子的齿顶、齿间的间隙交替地与磁极接近、离开,使定子感应线圈中的磁场周期性的变化,在线圈中感应出交流正弦波信号。控制试验台使车轮运转在各种工况,对传感器输出信号进行测量。实验结果表明了变磁阻式轮速传感器产生的信号具有如下特征:

        (1)传感器产生的信号为接近零均值的正弦波信号;

  (2)正弦波信号的幅值受气隙间隔(磁头与齿圈间的气隙,一般在1.0mm左右为最理想)和车轮转速的影响。气隙间隔越小,车轮速度越高,正弦波信号的幅值越大;

  (3)正弦波信号的频率受齿圈的齿数和车轮转速的影响,为每秒钟经过磁头线圈的齿数,即等于齿圈齿数乘以每秒钟的轮速。变磁阻式轮速传感器所产生的信号如图2所示。

  试验模拟的是BJ212车型的前轮,用转鼓转速模拟车速。当控制转鼓转速为3km/h时,88齿的传感器产生正弦波信号的幅值约为1V,其频率为 31Hz;当控制转鼓转速为100km/h时,传感器产生的正弦波信号的幅值约为7V,其频率为1037Hz。由于齿轮加工产生的毛刺和其它环境因素的影响,实际信号为在上述信号中叠加了一定频率成分干扰信号,见图2(b)。

实验结果

  轮速信号的检测

  将轮速传感器输出的每个正弦波信号调理整形产生一个方波信号,后续电路对方波信号的处理可有以下几种方法:

       (1)直接送单片机的T0记数,用T1作定时器。在每个T1定时时间内读出T0的记数值,经计算得到轮速;

      (2)将方波信号先进行F/V转换,再由单片机A/D转换而得到轮速;

      (3)方波信号送单片机的外部中断/INT0引脚,将其设定为边沿触发方式,用T1作定时器对方波信号进行周期测量,经计算得到轮速。第一种方法在低速时所测得的轮速误差较大。假定轮速不变,每个T1定时时间读一次T0的记数值,在T1i和T1i+1时间内读得数值由于读数时磁头与齿顶的位置关系有时会相差1,轮速较低时, T1定时时间内T0的记数值较小,因而相对误差较大,导致轮速识别的门槛值过高。第二种方法可提高低速时的测量准确度,但增加了硬件F/V和A/D转换芯片的开支。第三种方法可以在不增加硬件开支的前提下,有效地提高低速时的测量准确度。

  轮速传感器系统硬件

  轮速传感器系统的硬件以80C31单片微机为核心(外部扩展8kRAM和8kEPROM)。外围电路有信号处理电路、总线控制及总线接口等电路。其结构框图如图3所示。

结构框图

  轮速传感器产生信号经滤波、整形、光电隔离后,送80C31的/INT0输入引脚。T1作定时器使用,对脉冲信号进行周期测量。SJA1000, 82C250组成与CAN总线的控制和接口电路。在轮速传感器的设计过程中,充分考虑其抗干扰和稳定性,单片机的输入/输出端均采用光电隔离,用看门狗定时器(MAX813)进行超时复位,确保系统可靠工作。

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