CN103873060A - 一种信号转换器 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为一种信号转换器。属于汽车电子控制技术领域。它主要是解决传感器故障影响控制器正常工作的问题。它的主要特征是：包括微处理器、EEPROM存储电路、晶振电路、电源处理电路、电源输入电路、传感器驱动电路、信号采样电路、A/D转换输入端、CAN通信电路、复位电路；电源输入电路、电源处理电路和传感器驱动电路组成双电源电路；电源输入电路输出端分别与电源处理电路和传感器驱动电路输入端连接；信号采样电路输出端与A/D转换输入端连接。本发明具有采用独立电源向传感器和信号转换器自身提供驱动的特点，主要用于将汽车传感器模拟信号转换成数字信号。

Description

一种信号转换器

技术领域

本发明属于汽车电子控制技术领域。具体涉及一种用于将汽车传感器模拟信号转换成数字信号的信号转换器。

背景技术

随着电子技术的发展和进步，对整车智能化、可监控性要求越来越高，并要求具有故障实时诊断和在线记录功能，使得整车电子控制信号越来越多，控制功能日益强大。这些控制信号大多数来自传感器，由于传感器受制于工作环境和安装位置等要求的限制，目前大部分传感器以模拟信号的方式输出。但随着汽车上电控模块的增加及网络化、智能化，电控模块只能对数字量信号进行运算处理，这就需要将相关模拟量信号转换成数字量信号，才能符合输入要求。

在涉及到很多模拟控制信号输入时，这个过程将增加控制模块的电路设计复杂程度，同时还需要控制模块对传感器提供驱动电源，这又增加了控制模块输出带驱动的要求。这将导致电子控制模块功能过于集中，设计时间长，调试过程复杂，生产成本高，易发生故障，难于修复。

另外传感器工作环境苛刻，工作状态复杂，在某些特殊工况下会发生间断性故障，甚至短路状态等不可预测的故障，这些故障均会影响到控制器的正常工作，影响系统的安全可靠性。

鉴于上述情况，一种信号转换器设计方案完成，在整个系统中起一个过渡作用，最终为电子控制系统服务。其过程是：信号转换器采用独立电源向传感器和信号转换器自身提供驱动，对传感器输出的模拟电压信号进行采样，后经A/D转换成数字信号，然后转换成CAN报文，最终通过CAN总线向电子控制器提供信息。这样即使传感器发生故障，信号转换器也可以正常工作，及时反馈传感器当前状态。这样就最大程度的降低了外界不可靠因素对电子控制器的影响，提高了电子控制器在整车控制过程中的可靠性，符合当前模块化设计思想。

发明内容

本发明的目的就是针对上述问题而提供一种智能电子转换装置-信号转换器。

本发明的技术解决方案是：一种信号转换器，其特征是：包括微处理器和该微处理器连接的EEPROM存储电路、晶振电路、电源处理电路、电源输入电路、传感器驱动电路、信号采样电路、A/D转换输入端、CAN通信电路、复位电路组成；其中，电源输入电路、电源处理电路和传感器驱动电路组成双电源电路；电源输入电路接整车电源12V，输出到电源处理电路和传感器驱动电路，电源处理电路向信号转换器提供电源，传感器驱动电路向传感器提供电源。信号转换器的信号采样电路对输入的模拟电压0—5V进行采样，输入到微处理器的A/D转换端，A/D转换端通过内部12位A/D转换电路将模拟信号转换成数字量信号，后经微处理器程序处理成报文数据再发送给CAN通信电路，CAN通信电路将报文信号发送到CAN总线上，以此方式完成信号转换，并提供给整车电子控制系统和诊断系统使用。上述过程，采用双电源电路设计方案可以减小信号转换器系统故障的发生，即使在传感器发生短路故障时，给传感器供电的传感器驱动电路的自恢复保险丝断开，停止供电，传感器停止工作；但此时信号转换器仍可以正常继续工作，并检测到传感器处于故障状态，将故障状态信息通过CAN通信电路发送到CAN总线上供其它电子设备使用。这样就避免因为传感器故障导致信号转换器故障发生，增加可靠性，同时确保电子控制器和诊断仪可及时得到检测系统的状态信息。

本发明的技术解决方案中所述的电源输入电路由防反接二极管、电源输入滤波电路和电源输入稳压电路组成；所述的电源处理电路由第一集成电源芯片、电源处理滤波电路和电源处理稳压电路组成；所述的传感器驱动电路由第二集成电源芯片、传感器驱动滤波电路和传感器驱动稳压电路组成；电源输入电路输出端分别经自恢复保险电路与电源处理电路和传感器驱动电路的输入端连接。电源输入电路接整车电源12V，分支到电源处理电路和传感器驱动电路；电源处理电路向A/D转换提供5V参考电压VCC，同时向微处理器提供复位信号和电源电压监控信息；传感器驱动电路向信号采样电路提供5V上拉电压，对输入信号Sign提供上拉和放大作用。

本发明的技术解决方案中所述的信号采样电路由信号输入电路和电平上拉电路组成；信号输入电路由滤波电容、分流电阻组成，输入端接外部传感器，输出端接微处理器；电平上拉电路由电阻组成，一端与信号输入电路输入端连接，另一端与传感器驱动电路电压输出端连接。信号输入电路由滤波电路和分流电路组成，完成对输入的模拟电压0—5V的滤波和分流；电平上拉电路由上拉电阻和上拉参考电平VCC组成，完成对输入模拟电压电平的上拉和放大；同时，电平上拉电路接于滤波电路和分流电路之间。

本发明专利的技术解决方案中所述的A/D转换输入端，是集成于微处理器内部的A/D转换电路。本设计采用12位A/D采样，采样参考电压5V，采样精度可以识别2mV的电压信号变化，对于检测系统发生微弱的变化即可检测到，实时提供检测系统的当前状态。

本发明专利的技术解决方案中所述的CAN通信电路，由CAN通信芯片、滤波电路、匹配电阻组成。

本发明专利在现有微处理器和与该微处理器连接的外围连接的EEPROM存储电路、晶振电路、电源处理电路、电源输入电路、传感器驱动电路、信号采样电路、A/D转换输入端、CAN通信电路、复位电路基础上完成，通过微处理器内部嵌入程序为系统服务，完成低压故障状态、零压力状态、正常工作状态、高压钳位状态、高压故障状态和故障诊断功能，提高了系统可维护性。

其中，低压故障状态、零压力状态、正常工作状态、高压钳位状态、高压故障状态识别具体为：

1、低压故障状态：

当采集的信号值低于理论允许的最低值Umin时，信号转换器发出欠压监测报文，提示系统故障。本系统规定Umin＝6%Upwr（Upwr为传感器供电电压，下同）。

2、零位压力状态：

当采集的信号值位于(Umin，U1)时系统处于零位压力，其中：U1=10%Upwr。

3、正常工作状态：

当采集的信号值位于[U1，U2]时系统处于正常工作区，其中：U2=90%Upwr。

4、高压钳位状态：

当采集的信号值位于（Umax，U3）时，信号转换器发出过压监测报文，提示系统故障。此时，报文数据会钳位在一个固定值，以此表明系统故障。本系统规定Umax＝90%Upwr，U3＝96％Upwr。

5、高压故障状态：

但采集的信号值大于U≥U3时，信号转换器发出高端电压故障监测报文，提示系统供电端故障。

信号转换器故障诊断功能具体为：包括对传感器性能的检查和传感器监测系统故障。其中，在上电初期首先监测传感器状态，在传感器正常的情况下，才处理传感器发送的模拟电压信号；传感器监测系统故障包括低压故障、零压力、高压钳位、高压故障四个状态，故障发生时将故障信号记录在信号转换器的EEPROM中，同时将这些状态模式通过系统预先设计好的报文数据形式发送给整车电子控制模块和诊断仪。上述，每种故障状态均有一报文与之对应，报文内容可以根据不同系统或客户要求进行设置，增加通用性。

为保证此信号转换器与整车网路的匹配性，本信号转换器通信模式中带有BUS  OFF 功能，可保证信号转换器自身CAN通信错误不会影响到整车CAN总线网络而堵塞，保证系统通信流畅，提高通用性和可靠性。

附图说明                                                  

图1是本发明信号转换器的原理框架图。

图2是本发明信号转换器控制方案图。

图3是本发明信号转换器微处理器电路图。

图4是本发明信号转换器信号采集电路图。

图5是本发明信号转换器双电源电路图。

图6是本发明信号转换器CAN通讯模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述：

如图1所示。信号转换器的原理框架图。其中信号转换器1-2接整车电源12V；向采样传感器1-1输出5V驱动电压，驱动采样传感器1-1工作。采样传感器1-1输出的Sign电压（0—5V）信号，对Sign电压信号进行A/D转换；然后，将转换的数字量信号按系统预先设计算法要求转换成报文格式的数据，通过CAN通信模块发送到CAN总线上，供车载电子电子控制器1-3和诊断仪1-4使用。以这种方式完成模拟电压信号到数字量信号的转换，以具体报文的形式发送到CAN总线上，提供实时数据给需要此信号的电子控制器和诊断仪，提高整车运行状态的控制和监控，提高行车安全。

如图2所示。信号转换器由主控制芯片—飞思卡尔的微控制器U1、EEPROM存储电路2-1、晶振电路2-2、电源处理电路2-3、电源输入电路2-4、传感器驱动电路2-5、信号采样电路2-7、A/D转换输入端2-8、CAN通信电路2-9、复位电路2-10组成，各电路均采用常规电路。其中，电源输入电路2-4将整车12V电源处理后，提供给电源处理电路2-3和传感器驱动电路2-5，完成系统电压驱动工作；信号采样电路2-7采样传感器输入电压信号，经电平上拉和放大后，到A/D转换输入端2-8；A/D转换端2-8通过内部转换电路，将模拟电压信号转换成数字量信号，并按一定算法转换成报文数据；然后，通过CAN通信电路2-9，发送到外部CAN总线上。在此，电源处理电路采用的是一款带复位信号输出的电源芯片，既能实现对电源的电平处理，又能实现上电复位及工作电压的监控。

如图3所示。微控制器U1的引脚图。其中，P32引脚为A/D转换端，具体实现方式：图4电路的输出端直接接入微控制器U1的P32引脚端，即A/D转换端，完成模拟电压信号的输入、采样和转换功能；U1的P13、P14引脚为CAN通信数据输入、输出端口，具体实现方式：P13、P14引脚分别与图6的CAN通信电路中的U4的P1引脚TXCAN和P2引脚RXCAN连接，构成CAN通信电路，完成报文信息的发送工作；U1的P2引脚为电源端，具体实现方式：P2引脚接图中5电源处理电路的VCC端；U1的P3引脚为接地端，具体实现方式：P3引脚接地；U1的P5引脚为复位端，具体实现方式是：P5端接图5中电源处理电路的REST端。

如图4所示。信号采样电路2-7由信号输入电路和电平上拉电路组成，具体实施方式是：信号输入电路输入端传感器信号输出端Sign，过C14滤波到地端，经R3分流到图3中U1的P32引脚端；电平上拉电路接在C14和R3直接，经R2上拉到图5中电源处理电路2-3中的VCC端。上述器件的连接组成信号采样电路2-7。

如图5所示。电源输入电路2-4、电源处理电路2-3、传感器驱动电路2-5组成整个系统的电源驱动部分双电源电路。其中，电源输入电路2-4接整车电源12V，处理后分别接入电源处理电路2-3和传感器驱动电路2-5。具体实现方式是：电源输入电路2-3接整车电源12V，过防反接二极管D2，并联C5和C4组成的滤波电路，经稳压二极管D3输出到电源处理电路2-3的输入端接和电源输入电路2-4的输入端；电源处理电路2-3通过自恢复保险电路F1，接入第一集成电源芯片U3的P1引脚，后经U3的P5引脚输出，通过后续并联的C8、C10、C9滤波电路接到地和稳压电路D4，输出到VCC端，U3的P4引脚通过C13滤波到地，U3的P3引脚接地，U3的P2引脚经R1接入VCC端，通过C6接到地，同时引出REST端。传感器驱动电路与电源处理电路连接方式基本一致，只是传感器驱动电路中的第二集成电源芯片U2的P2引脚直接通过C12连接到地。

如图6所示。CAN通信电路2-9，将微处理器  U1处理后的数据通过CAN通信电路，以报文数据形式发送到外部CAN总线上，具体实施方式是：

微处理器U1的P13、 P14引脚端分别连接CAN通信电路U4(TJ1050T芯片)中的P1引脚端TXCAN、P3引脚端RXCAN，完成微处理器U1与CAN通信电路2-9的连接；U4芯片的P6、P7引脚端口通过扼流圈L滤波输出，后经在其间直接连接的C20和分别到地的C19、C22滤波，同时接双向二极管D5到地，再接匹配电阻R6和R7过C24到地。

Claims (3)

1.一种信号转换器，其特征是：包括微处理器（U1）和该微处理器（U1）连接的EEPROM存储电路（2-1）、晶振电路（2-2）、电源处理电路（2-3）、电源输入电路（2-4）、传感器驱动电路（2-5）、信号采样电路（2-7）、A/D转换输入端（2-8）、CAN通信电路（2-9）、复位电路（2-10）；其中，电源输入电路（2-4）、电源处理电路（2-3）和传感器驱动电路（2-5）组成双电源电路；电源输入电路（2-4）输入端接整车电源，输出端分别与电源处理电路（2-3）和传感器驱动电路（2-5）输入端连接；电源处理电路（2-3）输出端接微处理器（U1）及各电路的工作供电电压端；传感器驱动电路（2-5）输出端接外部传感器；信号采样电路（2-7）输出端与A/D转换输入端（2-8）连接。

2.根据权利要求1所述的一种信号转换器,其特征是：所述的电源输入电路（2-4）由防反接二极管（D2）、电源输入滤波电路和电源输入稳压电路组成；所述的电源处理电路（2-3）由第一集成电源芯片（U3）、电源处理滤波电路和电源处理稳压电路组成；所述的传感器驱动电路（2-5）由第二集成电源芯片（U2）、传感器驱动滤波电路和传感器驱动稳压电路组成；电源输入电路（2-4）输出端分别经自恢复保险电路（F1、F2）与电源处理电路（2-3）和传感器驱动电路（2-5）的输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种信号转换器，其特征是：所述的信号采样电路（2-7）由信号输入电路（3-1）和电平上拉电路（3-2）组成；信号输入电路（3-1）由滤波电容（C14）、分流电阻（R3）组成，输入端接外部传感器，输出端接微处理器（U1）；电平上拉电路（3-2）由电阻（R2）组成，一端与信号输入电路输入端连接，另一端与传感器驱动电路（2-5）电压输出端连接。

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