汽車動力裝置測控系統硬件電路設計

張雨蒙 翁惠輝 舒福舟

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

關鍵詞： STM32單片機;CAN總線;調理電路;測控系統

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動機，發動機基本上決定了一輛汽車是否具備良好的動力系統性能，因此發動機可以稱之為汽車的心臟，要想讓發動機具備良好的性能，需要研究開發人員由內到外進行嚴格把關。我們所面臨的首要問題就是怎樣精準迅速地獲取發動機和變速箱的各項性能參數。這樣我們對發動機的檢測，使發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

發動機和變速箱的主要參數有溫度、壓力、液位、轉速，具體檢測要求以及傳感器選型如下表所示：

1.2 總體方案設計

汽車測控網絡現階段都是基于CAN總線協議的，因此為了方便把該系統掛接到汽車網絡上，形成一個測控節點，現需要設計一種基于CAN總線進行傳輸的發動機數據采集傳輸系統。采用ST公司的 32位單片機 STM32作為主要部件， 以此設計一套具有 CAN 接口的發動機數據采集傳輸系統。系統采集發動機的溫度、壓力等工況信號， 再把采集的信號用信號調理電路轉換成標準電壓信號，單片機自帶的A/D轉換功能可以對數據進行A/D轉換， 用CAN總線把所有數據傳送給PC機， 在PC機上處理數據， 更加方便用戶使用。最終，為了方便維護師和自己的調試診斷測試，開發有485串口。

2 硬件電路設計

2.1 ?模擬信號調理電路設計

2.1.1 ? 4～20mA信號采集調理電路（壓力，位置）

模擬量采集端的輸入4～20mA電流信號經100 取樣電阻R3變為0.4V～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為

（4-1）

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

2.1.2 ?PT100信號采集調理電路（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，分別為轉換電路、調零電路和調滿電路，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 ?內部定時器/計數器電路（轉速）

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

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

2.3 ?CAN總線接口設計

如今，大家普遍認同CAN總線的高性能和可靠性，并在工業自動化、醫療設備、船舶等各行各業中廣泛應用。CAN總線是一種串行數據通信協議，CAN 控制器是根據兩根線上的電位差來判斷總線電平。

每個CAN系統的全部控制單元并聯在CAN數據總線上，CAN數據總線的兩條導線各自是CAN-High和CAN-Low線，控制單元之間的數據交換是由這兩條導線來運作的，這些數據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

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

參考文獻：

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

[2]殷平.基于虛擬儀器的發動機測控系統研制[D].南京：南京理工大學，2010

作者簡介：

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