CN101713796A - 车载微机频率量测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载微机频率量测量装置，包括单片机、现场可编程门阵列FPGA模块、CAN总线接口电路、整形隔离电路、隔离电源电路。外部频率量待测信号经整形隔离电路整形隔离后，输入至FPGA模块；FPGA模块提取自身震荡频率经分频后作为基准频率信号，在输入信号第一个上升沿到来时开始记录基准频率的上升沿个数，在输入信号的第二个上升沿到来时结束计数，将计数值锁存在FPGA中，并继续重复计数；由单片机读取最近一次锁存在FPGA中的计数值并进行频率计算。本发明可使用硬件语言编程实现对多个频率量的测量，缩短设计周期，减少设计费用，降低设计风险，使产品达到小型化、集成化、低成本和高可靠性的要求。
Description
技术领域 本发明属于测量装置，主要涉及一种车载微机频率量测量装置。
背景技术 车载微机上的频率量信号包括柴油机转速、牵引电动机转速、冷却风扇转速和增压器转速，对这些转速信号的测量通常采用测周期法，目前硬件上通过多个可编程定时/计数芯片(如8253、MC6840)和可编程中断控制器(如8259)配合来实现。现有这种硬件结构，由于存在使用的芯片体积大、数量多、产品面临停产等问题，体积大、成本较高，在实际使用上有很多不便。发明内容为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种体积小、成本低的车载微机频率量测量装置。
为实现此目的，本发明的技术方案如下：一种车载微机频率量测量装置，其特征在于：包括单片机、现场可编程门阵列FPGA模块、CAN总线接口电路、整形隔离电路、隔离电源电路；其中隔离电源电路为单片机和各模块电路提供工作电源；外部频率量待测信号经整形隔离电路整形隔离后，输入至FPGA模块；FPGA模块提取自身震荡频率经分频后作为基准频率信号，在输入信号第一个上升沿到来时开始记录基准频率的上升沿个数，在输入信号的第二个上升沿到来时结束计数，将计数值锁存在FPGA中，并继续重复计数；由单片机读取最近一次锁存在FPGA中的计数值并进行频率计算。
所述的单片机AT89C51CC01的42脚接电源VCC，42脚和11脚均经电容C1接地，43脚接地，38脚接PSEN，12脚接RxD，13脚接TxD；单片机AT89C51CC01的41脚和40脚间接有晶振Y1，41脚和40脚分别经电容C2和C3接地；IC6-MAX812L的3脚接MRESET，IC6-MAX812L的4脚接电源VCC，IC6-MAX812L的1脚接地，IC6-MAX812L的4脚和1脚间接有电容C5，IC6-MAX812L的2脚经电阻R1接单片机AT89C51CC01的44脚。
所述的现场可编程门阵列FPGA模块IC2-XC2S100的I36、I31、I29、I33、I39、I41分别接经隔离整形的外部待测信号INPUT-01-INPUT-06；IC4-CRYSTAL OSC的4脚接电源Vcco，2脚接地，4脚和2脚间接有电容C6，IC4-CRYSTAL OSC的3脚经电阻R2接IC2-XC2S100的15脚；IC3-XCF01S的20脚、19脚、18脚均接电源Vcco，且分别经电容C7、C8、C9接地，IC3-XCF01S的11脚接地，IC3-XCF01S的8脚、7脚、10脚分别经电阻R3、R4、R5接电源Vcco，IC3-XCF01S的8脚、7脚、10脚、3脚、1脚、5脚、6脚、17脚分别接IC2-XC2S100的68脚、69脚、72脚、37脚、39脚、142脚、2脚、32脚；接插件JTAG的1脚接电源Vcco，2脚接地，3脚、5脚和6脚分别接IC3-XCF01S的17脚、4脚、5脚，4脚接IC2-XC2S100的34脚。
所述的CAN总线接口电路为：IC5-TJA1050T的1脚和4脚分别接IC1-AT89C51CC01的20脚和21脚，IC5-TJA1050T的2脚和8脚接地，IC5-TJA1050T的3脚接电源Vcco，亦经电容C4接地，IC5-TJA1050T的6脚接CANL，IC5-TJA1050T的7脚接CANH。
所述的整形隔离电路为：外部频率量待测信号FI_01经电阻R6接模块LF353D的2脚，模块LF353D的2脚分别经二极管D1和D2接+12V和-12V电源，亦经电容C20接IC7-BBT-DCPCD的6脚引出的公共端COM，模块LF353D的3脚经电阻R7接公共端COM，模块LF353D的3脚和1脚间接有电阻R8；模块LF353D的1脚接模块4N35的2脚，模块4N35的1脚经电阻R9接12V电源，4脚接地，5脚经电阻R10接电源VCC；模块4N35的5脚接模块74HC14E的11脚，模块74HC14E的11脚亦经电容C21接地，模块74HC14E的10脚输出经隔离整形后的外部待测信号INPUT-01。
所述的隔离电源电路为：IC7-BBT-DCPCD的1脚接电源VCC，2脚接地，1脚和2脚间并接有电容C14和C15，IC7-BBT-DCPCD的7脚和6脚间并接有电容C10和C12，5脚和6脚间并接有电容C11和C13，IC7-BBT-DCPCD的7脚和5脚分别输出+12V和-12V电源；IC8-ASM11172.5的3脚接电源VCC，1脚接地，2脚和1脚并接有电容C16和C17，2脚输出电源Vccin；IC9-ASM11173.3的3脚接电源VCC，1脚接地，2脚和1脚并接有电容C18和C19，2脚输出电源Vcco。
采用上述技术方案后，本发明采用新型设计芯片FPGA(Field ProgrammableGate Array即现场可编程门阵列)，该FPGA中包含大量的门电路，而且用户可编程，通过不同的编程数据可产生不同的电路，使用硬件语言编程即可实现对多个频率量的测量，从而缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险，使产品达到小型化、集成化、低成本和高可靠性的要求。
附图说明 图1是本发明的电路原理框图
图2是本发明实施例中除隔离整形电路外其他部分的电路图
图3是本发明实施例中隔离整形电路的电路图
图4是本发明实施例中FPGA硬件语言程序设计框图
图5是本发明中测周期法原理的示意图
具体实施方式 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
车载微机上的频率量信号包括柴油机转速、牵引电动机转速、冷却风扇转速和增压器转速，均为低频信号，所以对这些转速信号的测量通常采用测周期法：给定基准信号，频率为fs，在待测信号的一个周期Tx(1/fx)内，记录基准频率的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx＝fs/Ns。其原理如图5所示。
如图1、图2所示，本发明的车载微机频率量测量装置，包括单片机、现场可编程门阵列FPGA模块、CAN总线接口电路、整形隔离电路、隔离电源电路。
本发明中单片机是整个设计的核心器件，实施例中采用Atmel公司的型号为T89C51CC01的8位微处理器，它具有80C51内核结构，工作频率最高可达40MHz，本设计使用外部晶振为16MHz。片上集成256字节RAM，1K字节的XRAM，32K的片内FLASH，2K片上E2PROM存储数据，内置看门狗定时器，而且该单片机内置符合CAN2.0A、2.0B标准的完全CAN控制器，还具有ISP(In-SystemProgramming)即在系统可编程技术，方便开发阶段对程序进行调试。实施例中为保证单片机电源的稳定，使用微控制器监控电路MAX812芯片监视电源电压，在电源电压低于预置的阈值时和电源电压上升到该阈值后的140ms内，产生一个持续有效的复位信号。
本发明实施例中现场可编程门阵列FPGA模块采用的型号为Xilinx公司的Spartan II 2S100-PQ144，该器件密度为10万门，内置5K字节的RAM。工作核心电压引脚接+2.5V电源，其输入输出(I/O)引脚支持TTL、LVTTL电平逻辑，需外接+3.3V电源。XC2S100支持从串行模式、主串行模式、从并行模式配置模式和边界扫描模式。边界扫描模式一直可用，其它配置模式由芯片引脚M2、M1、M0上的电平所决定。本实施例在调试时期采用边界扫描模式；在程序编制成功后，采用主机串行模式。XC2S100可以实现包括2路自检在内的共8路频率量输入信号的检测，本实施例的FPGA单独外接晶振16MHz，通过软件与单片机实现同步。
本发明实施例中CAN总线接口电路选用TJA1050T，是控制器局域网CAN协议控制器和物理总线之间的接口，TJA1050可以为总线提供不同的发送性能，为CAN控制器提供不同的接收性能。TJA1050主要有以下特征：完全符合ISO 11898标准，最高速到达1Mb/s，输入级3.3V以及5V器件兼容，至少可以连接110个节点。通过对TJA1050T引脚的接线使之工作在高速模式下，TJA1050T电磁辐射(EME)极低，而电磁抗干扰(EMI)性极高，不上电的节点不会对总线造成扰动。
本发明实施例中隔离电源电路采用BBT公司的电源转换模块，将+5V转换为±12V，为外部信号整形电路提供比较器电源；+3.3V，+2.5V则使用低压电平转换器件由+5V转换而得，为FPGA及其配置芯片提供工作电压和内核电压。
本发明的工作原理如下：外部的频率量信号经过整形隔离电路整形、隔离后，输入到现场可编程门阵列FPGA模块，同时输入到FPGA中的还有单片机的读、写及复位信号；FPGA自身的震荡频率经分频后作为基准频率信号，在外部待测信号第一个上升沿到来时开始记录基准频率的上升沿个数(即周期数)，在外部待测信号的第二个上升沿到来时结束计数，将计数值锁存在FPGA中。一次计数结束后，FPGA再次等待待测信号的下一个上升沿的到来，重复上述过程，循环计数。单片机的读信号到来时，将最近一次锁存在FPGA中的计数值输出，由单片机进行频率计算，完成一次频率量的采集。通过硬件编程语言Verilog的编程，对所有输入信号进行同样的逻辑设计，从而达到多路频率量测量的目的。FPGA硬件语言程序设计框图如图4所示。
Claims (6)
1.一种车载微机频率量测量装置，其特征在于：包括单片机、现场可编程门阵列FPGA模块、CAN总线接口电路、整形隔离电路、隔离电源电路；其中隔离电源电路为单片机和各模块电路提供工作电源；外部频率量待测信号经整形隔离电路整形隔离后，输入至FPGA模块；FPGA模块提取自身震荡频率经分频后作为基准频率信号，在输入信号第一个上升沿到来时开始记录基准频率的上升沿个数，在输入信号的第二个上升沿到来时结束计数，将计数值锁存在FPGA中，并继续重复计数；由单片机读取最近一次锁存在FPGA中的计数值并进行频率计算。
2.如权利要求1所述的车载微机频率量测量装置，其特征在于：所述的单片机AT89C51CC01的42脚接电源VCC，42脚和11脚均经电容C1接地，43脚接地，38脚接PSEN，12脚接RxD，13脚接TxD；单片机AT89C51CC01的41脚和40脚间接有晶振Y1，41脚和40脚分别经电容C2和C3接地；IC6-MAX812L的3脚接MRESET，IC6-MAX812L的4脚接电源VCC，IC6-MAX812L的1脚接地，IC6-MAX812L的4脚和1脚间接有电容C5，IC6-MAX812L的2脚经电阻R1接单片机AT89C51CC01的44脚。
3.如权利要求1所述的车载微机频率量测量装置，其特征在于：所述的现场可编程门阵列FPGA模块IC2-XC2S100的I36、I31、I29、I33、I39、I41分别接经隔离整形的外部待测信号INPUT-01-INPUT-06；IC4-CRYSTAL OSC的4脚接电源Vcco，2脚接地，4脚和2脚间接有电容C6，IC4-CRYSTAL OSC的3脚经电阻R2接IC2-XC2S100的15脚；IC3-XCF01S的20脚、19脚、18脚均接电源Vcco，且分别经电容C7、C8、C9接地，IC3-XCF01S的11脚接地，IC3-XCF01S的8脚、7脚、10脚分别经电阻R3、R4、R5接电源Vcco，IC3-XCF01S的8脚、7脚、10脚、3脚、1脚、5脚、6脚、17脚分别接IC2-XC2S100的68脚、69脚、72脚、37脚、39脚、I42脚、2脚、32脚；接插件JTAG的1脚接电源Vcco，2脚接地，3脚、5脚和6脚分别接IC3-XCF01S的17脚、4脚、5脚，4脚接IC2-XC2S100的34脚。
4.如权利要求1所述的车载微机频率量测量装置，其特征在于：所述的CAN总线接口电路为：IC5-TJA1050T的1脚和4脚分别接IC1-AT89C51CC01的20脚和21脚，IC5-TJA1050T的2脚和8脚接地，IC5-TJA1050T的3脚接电源Vcco，亦经电容C4接地，IC5-TJA1050T的6脚接CANL，IC5-TJA1050T的7脚接CANH。
5.如权利要求1所述的车载微机频率量测量装置，其特征在于：所述的整形隔离电路为：外部频率量待测信号FI_01经电阻R6接模块LF353D的2脚，模块LF353D的2脚分别经二极管D1和D2接+12V和-12V电源，亦经电容C20接IC7-BBT-DCPCD的6脚引出的公共端COM，模块LF353D的3脚经电阻R7接公共端COM，模块LF353D的3脚和1脚间接有电阻R8；模块LF353D的1脚接模块4N35的2脚，模块4N35的1脚经电阻R9接12V电源，4脚接地，5脚经电阻R10接电源VCC；模块4N35的5脚接模块74HC14E的11脚，模块74HC14E的11脚亦经电容C21接地，模块74HC14E的10脚输出经隔离整形后的外部待测信号INPUT-01。
6.如权利要求1所述的车载微机频率量测量装置，其特征在于：所述的隔离电源电路为：IC7-BBT-DCPCD的1脚接电源VCC，2脚接地，1脚和2脚间并接有电容C14和C15，IC7-BBT-DCPCD的7脚和6脚间并接有电容C10和C12，5脚和6脚间并接有电容C11和C13，IC7-BBT-DCPCD的7脚和5脚分别输出+12V和-12V电源；IC8-ASM1117_2.5的3脚接电源VCC，1脚接地，2脚和1脚并接有电容C16和C17，2脚输出电源Vccin；IC9-ASM1117_3.3的3脚接电源VCC，1脚接地，2脚和1脚并接有电容C18和C19，2脚输出电源Vcco。
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