机械电子学论文

   《机械电子学》

课后作业

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    专业：   机械电子工程    

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    学号：         

                                                     基于CAN总线的汽车信息采集模块

上完了王老师的机械电子学这门课，我对于机械电子学这门课有了一个大致的把握，了解了这门学科所涵盖的知识范围，也认识到了这门学科本身所具有的广阔的应用空间。从机械电子学包涵的几个基本要素中，我抽取了传感器和执行器这一要素，结合自己所研究领域的一些知识，在参考了一些资料的基础上，尝试探讨了一种机械电子学在汽车领域中的应用——基于CAN总线的汽车仪表信息采集模块。

摘要：基于CAN的汽车仪表信息采集模块主要解决的是汽车仪表信息采集、通信、和控制问题，相比于以往的RS-485总线技术具有更快速、更稳定、更精确等优点，而且还具有报文纠错重发功能。基于CAN的汽车仪表信息采集模块的研究和设计有助于促进CAN总线技术在汽车仪表信息采集的应用和发展。

    本文研究了设计过程中需要用到的CAN总线芯片；重点介绍了数据采集时所用到的传感器芯片；研究了基于CAN的汽车仪表信息采集模块设计方案。基于CAN的汽车仪表信息采集模块的设计主要分五个部分：上位机模块、CAN收发器、CAN控制器、微处理器和信息采集模块。上位机模块通过CAN总线与CAN节点相连，CAN收发器、控制器与微处理器和信息采集模块组成CAN节点，整个CAN总线在主从是式通信方式下工作。  

关键词：传感器、信号采集、CAN总线、单片机

一、模块工作的基本原理

现在在国内汽车仪表信息采集模块主要有利用RS-485和CAN两种，利用RS-485总线的汽车仪表信息采集模块中，系统是分布式串行通信系统，需要多个不同的采集数据处理电路，而且RS-485传输数据的速率相比CAN总线要低，传输距离也要近，抗环境干扰的能力和抗电磁干扰的能力也都不如CAN总线，与PC机连接时还需要有专用的接口卡，与系统的兼容性较差。而基于CAN汽车仪表信息采集模块是总线式串行系统，系统的抗干扰能力强，而且支持不同的CAN模式，各个厂家的产品硬件和软件都兼容，利于汽车工业的发展，系统的传输数据能力很强，速率很快，满足汽车网络化、智能化的需要。       

信息采集模块的组成主要是传感器和后续的调理电路，传感器主要有速度传感器、转动传感器、温度传感器、液位传感器，分别测量汽车的速度、轴的转速、水箱水的温度、油的液位。其中速度传感器和转动传感器测量的信号是脉冲量信号，温度传感器和液位传感器测量的是模拟量信号。传感器将测得的信号通过后续调理电路传递至微处理器（单片机），形成智能传感器节点，与CAN控制器连接。信息采集模块主要完成信号的采集任务，采集的信号精度直接影响后续对这些信号的处理和最终信息显示的精度，因此传感器的选择和调理电路的设计很重要。因此选用的传感器都应当是智能传感器，自身传感器部件都带有调理电路和抗电磁、环境干扰部分，输出信号可以直接接入AD转换器和单片机内，直接进行AD转换和数据传输控制。

采集模块的工作原理是利用传感器技术，将汽车仪表所用到的信息通过传感器采集，这些信号可以分为模拟量信号、开关量信号和脉冲量信号，通过不同的传感器分别采集。其中模拟量信号需要通过AD转换器转换成单片机能处理的数字量信号，脉冲量信号可以通过单片机计数器处理。采集过程主要是将非电量信号转变成电量信号，并对这些电量信号传递给单片机，通过CAN控制器和CAN收发器接入系统网络。采集到的汽车仪表信息需要通过CAN总线和CAN控制器进行传输和控制，这一部分最主要的组成部分是：微处理器（单片机）、CAN控制器、CAN收发器。单片机是这一部分的主控单元，一方面可以接受来自传感器的脉冲信号，另一方面对信息进行控制和处理。CAN控制器一方面和单片机相连，接受来自单片机传递的控制信号，另一方面和CAN收发器相连控制信号在CAN总线中收发报文。CAN收发器是节点接入CAN总线网络的接口，将信息传递进入CAN总线。

    基于CAN的汽车仪表信息采集模块只需要应用到一个CAN节点作为采集模块，而上位机是功能控制作为一个节点，它们之间就是通过CAN总线进行通信的。

基于CAN的汽车信息采集模块的主要优点有：

（1）能够利用单片机将传感器采集到的信号存储起来，并对这些信号进行控制处理；

（2）通过CAN收发器接入CAN总线网络，可以实时的发送报文，对数据实时的处理；

（3）由于CAN总线系统具有很好的抗干扰性能，适于应用于环境复杂的汽车网络。

二、信号采集部分所用传感器的选择

1、液位传感器

    液位传感器可选用PT系列传感器，型号选择PT1000，该液位变送器采用进口充油硅芯片，不锈钢全封焊结构设计，具有良好的防潮性能和极强介质兼容性，可用于许多工业场合较弱的腐蚀性介质中；电路部分的关键元器件、压力敏感芯子，选用国际著名品牌的元器件，采用国际生产标准工艺，使产品的各项技术指标均达到国际水平，产品有很好的稳定性和较高的精度。该液位变送器应用范围：可用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、矿井、工业水池、水罐、油箱、水文地质、水库、河道、海洋等场所

该液位变送器技术指标： 

（1）全封闭式电路，具有防潮、防结露、防渗漏功能；

（2）量程：0～0.5m，可选不锈钢管(软、硬两种)液位变送器，适应恶劣环境；

（3）精度：±0.1%FS、0.25%FS、0.5%FS；

（4）供电：24VDC；

（5）输出：4～20mA、0～5VDC、1～5VD 带显示型液位变送器；

（6）工作温度：-20℃～+60℃ ； 

（7）适用于液位测量（有腐蚀性的介质请指出）；

（8）具有温度补偿，使用温域宽  

（9）密封级别：高等级IP68

由于信号进入AD7710前只需要对电路进行滤波处理就可以了，而在实际电路中，前面已经有滤波装置，所以在这里可以省去。

2、温度传感器

    温度传感器选择CRZ膜片铂热电阻式传感器，CRZ 膜片铂热电阻芯片（日本）是一个划时代温度传感器发展的产物。采用最先进高科技方法，如激光喷镀，显微照相和平版印刷光刻技术。而电阻值则以数字修整方式作出微调，因而能提供最精确的电阻值。它技术性能描述如下：

产品性能符合IEC751-1995和JIS1604有关标准，温度系数 为R100/R0=1.3851， 经过严格质检并注明每只元件在摄氏0 ℃时的准确阻值。薄膜铂热电阻元件用陶瓷和铂特制而成，在高温下能够保持优良的稳定性，适合在 -50 ℃ - 400 ℃ 的温度下使用。

铂薄膜通过激光喷溅在陶瓷表层，因而薄膜铂热电阻元件具有良好的防振动和防冲击性能。薄膜表面覆盖以陶瓷，因此元件能够承受高电压并有良好的绝缘性。铂热电阻芯片除了提供 Pt100Ω的外，尚有Pt500和 Pt1000Ω的元件。测量精度：除了提供A级和B 级外，尚有更精确的1/3B级供用户选用。CRZ系列产品规定电流 最大为2mA，引线材料为钯金合金。（圆柱型)* 温度使用范围：-50 ℃ ∽ 400℃* 精度： A级，B级* 规定电流 2mA（最大）。引线材料：钯金合金 。稳定性描述：连续加温1000小时（400℃）。CRZ膜片铂热电阻式传感器特别适于应用于对温度要求较高的工业领域。

3、转速传感器

    转速传感器选择型号为A5S05差分式霍尔效应转速传感器，差分式霍尔效应转速传感器A5S05，通过测速齿盘感应转速信号，广泛应用于旋转机械的转速测量和监控。内含信号放大器，分辨率高，抗干扰能力强。

差分式霍尔效应传感器的技术特点： 

（1）转速测量范围广：0-25000 脉冲/秒(响应时间< 20 毫秒) ；

（2）接受精密的和粗糙的测速齿形发出的脉冲信号，如钢（铁）制齿盘、齿槽、凸轮等。 

（3）与旋转测速部件的安装最大可达到3.5 mm ；

（4）环境温度范围： – 40 °C … + 125 °C；

（5）机组振动等因素不影响测量效果 

（6）传感器不锈钢(1.4305)外壳结构紧凑(1.4305) ， IP67 防护等级, 电缆进线可选择螺纹式插头，或塑封电缆。输出有测速齿形决定的循环方波信号(与标准齿形发出的信号比例约为1:1)；

（7）在整个转速量程范围内，信号输出电平相同。内置差分式信号处理装置确保负载为0或最大时，信号输出保持稳定。信号电平在空载时接近供电电压，而负载较大时，例如500 欧姆，或信号传输距离较大时，信号电平衰减约2 V，传感器有效传输最大距离超过1000 米；

（8）传感器具有短路和极性保护功能。转速测量范围适用于各种场合的高转速测量： 0-25000 脉冲/秒(响应时间< 20 毫秒)对于模数在m2-m5 的测速齿形，转速测量下限约为0.5 齿/ 秒； 对于齿数间隔较大的齿形，测速范围<0.1 m/分钟；  

（9）安装传感器可安装在任何材料中，也可安装在其它传感器附近。最大安装间隙取决于测速齿形的尺寸：对于最精细的测速齿盘，其模数为M 0.8（齿距2.4mm，100 齿的齿盘直径为80mm），安装间隙（探测距离）1 mm；对于模数m4 的测速齿盘(00 齿的齿盘直径为400 mm，齿距12 mm )，安装间隙（探测距离）最大3.5 mm。齿数间隔较大的齿形并不能继续提高探测距离。当温度> 90°C o或< 0°C, 或者信号频率> 10 kHz 或< 10 Hz 时，探测距离约降低%；

（10）推挽式霍尔传感器安装时要求与测速齿盘的旋转方向和旋转面较准。电源供电电压：+ 5 V~+ 30 VDC. 电流约15 mA+负载电流(传输距离较大或信号频率较大时，可增加到60 mA).。

由于传感器自身具有抗干扰能力和信号放大装置，所以不需要为其在设计后续的调理电路。

4、速度传感器

    速度传感器选择型号为SMB363的三轴速度传感器，它是博世公司开发的一款速度传感器，能够测量动态速度，测速范围为0~240km，它具有以下特点：

（1）超低功率传感器模块；

（2）从待机状态到正常工作模式下只需要1ms的唤醒时间；

（3）全面的自我检测能力。

 它输出的信号为模拟量信号，对电磁干扰和环境干扰有很强的抗干扰性，不需要后续的调理电路，但是接入单片机是需要光电隔离措施。

三、CAN总线通讯系统

1、单片机的选择

    ATC55WD单片机采用44引脚的PLCC封装方式，44引脚的封装中有4个标有NC的引脚是不连接的，在其余的40个引脚中，有2个是用于主电源的引脚，2个外接晶振引脚，4个控制或与其他电源复用的引脚，32个I/O引脚，下图3-1为ATC55WD单片机的引脚图。

ATC55WD单片机的管脚功能介绍如下：

（1）主电源引脚：Vss和Vcc，Vss接地，Vcc正常工作时接+5V电源。

（2）外接晶振引脚：XTAL1和XTAL2，分别接外接晶振动两端。

（3）控制和其他电源复用引脚：RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/Vpp。（4）输入输出引脚：P0，P1，P2和P3，P0.0~P0.7是复用的低8位地址总线和数据总线；P1.0~P1.7能够驱动4个LS的TTL输入；P2.0~P2.7在访问外部存储器时，它输出高8位地址；P3.0~P3.7具有双功能口的作用，具体功能如表3-1所示。

            图3-1 ATC55WD的管脚图

     表3-1 P3口的管脚功能

    CAN控制器选择Philips公司的SJA1000，CAN总线收发器选择PCA82C250，SJA1000和PCA82C250之间的连线和电气结构如图3-2所示。

 图3-2 PCA82C250与SJA1000的连接电路图

图3-2中的PCA82C250是驱动CAN控制器SJA1000和物理总线的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。

3、CAN通讯模块与单片机的连接

    这里SJA1000所需的数据、控制线均由MPU提供，WR、RD、ALE信号以及8位数据线和MPU的对应口线相连，用两个反门将ALE信号整形后再连接SJA1000对应的口线。SJA1000的INT作为MPU的INT0的输入信号，而将它们直接相连。SJA1000的CS信号由MPU的P2.7脚信号取反后提供。这样，要对SJA1000访问时，只要P2.7脚输出高电平即可。SJA1000和单片机ATC55WD连接如图3-3所示，另外，SJA1000也需要一个复位信号，因为系统里已经有一个看门狗芯片在系统复位时提供复位信号，所以SJA1000芯片可以公用这个复位信号，只要逻辑相反就可以了。

图3-3 SJA1000与ATC55WD的电路连接图

4、传感器输入与单片机的连接

    由于输入量中有模拟信号，要进行处理必须把模拟量转换为数字信号，本次选用的AD转换器是AD7710。AD7710是一个24位用于低频小信号测量的AD转换器件。可以作为低频测量应用中一个完整模拟的前端，直接从传感器接受小电压信号，经过信号放大、转换而以串行方式输出数字信号。输入信号加到基于模拟调制器的增益可编程的专用前端。调制器的输出通过片内数字滤波器处理。

AD7710的串行通信口可以很方便地同多数微处理器连接，可以通过串行口读数据寄存器、控制寄存器或者校正寄存器的数据，也可以将数据写入控制寄存器或者校正寄存器

AD7710串行时钟有两种模式：当其引脚MODE为高电平时，器件处于自时钟模式；而当引脚MODE为低电平时，器件处于外部时钟模式，即由外部提供串行时钟。

图3-4为AD7710与单片机ATC55的连接方式，其中AD7710处于外部时钟模式，由外部提供串行时钟。AD7710内部集成了增益可编程的放大器，所以用AD7710设计的模拟量输入模块不再需要使用放大器芯片来对微弱信号进行放大。在模拟量信号输入端，要加上必要的信号调理以及过电压保护电路。同样，用TL431芯片组成的电路也为AD7710提供高精度的基准电压（在+2.5V调节）。

图3-4AD7710与ATC55WD的连接电路图

四、看门狗电路

    看门狗芯片是用来防止程序跑飞，让单片机强行复位来使系统重新初始化，从而转入正常的运行。本次选择的是X25045看门狗芯片，它具有以下3种功能和特点：

（1）看门狗定时器；

（2）电压管理；

（3）串行EPROM。

当系统失常时，看门狗X25045将在一定的时间以后用RESET信号响应，这个时间是可以在给定的3个值里选择。如图4-1为看门狗芯片X25045的管脚图，同时也给出了X25045的管脚功能表，如表4-1所示。对X25045的操作是通过4根口线CS、SCK、SI和SO进行同步串行通信（SPI）来完成的。SCK是串行同步时钟信号（外部输入），写入时，时钟前沿将SI引脚信号输入，在读数据时，时钟后沿将数据输出到SO引脚上。

图4-1 看门狗芯片X25045的管脚图

表4-1 X25045的管脚功能

图4-2 看门狗芯片X25045与单片机ATC55WD连接电路图

    如上所述即为基于CAN总线技术的一个汽车信息采集模块的实例，这其中包涵了机械电子学中关于传感器方面的大量知识。在现代汽车设计领域的设计方法中，机械电子学领域的知识极大地提高了汽车的性能，同时辅以汽车领域最先进的CAN总线技术和智能仪器技术，通过CAN总线使其和汽车电子控制单元连接，从而实现汽车信息的网络化传输，大大地提高了信息传输的容量和质量。诸如此类的关于机械电子学同单片机技术以及CAN总线技术的结合，毋庸置疑地给予了我在本研究领域以极大地启示，对于我日后的研究有着重要的意义。