CN105383417A - Can总线的汽车行驶检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车行驶检测系统，尤其涉及一种CAN总线的汽车行驶检测系统，包括MCU微控制器、步行电机、E2PROM、LCD显示屏、光电隔离器、CAN收发器、CAN总线、车速传感器、车速信号调理电路、发动机转速传感器、转速信号调理电路、水温传感器、燃油液位转速传感器和模拟信号前置调理电路。该系统体积小、精度高、系统实时性好、容易扩展，便于接入CAN网络而不用改变系统的硬件设计。

Description

CAN总线的汽车行驶检测系统

技术领域

本发明涉及一种汽车行驶检测系统，尤其涉及一种CAN总线的汽车行驶检测系统。

背景技术

汽车电子装置发展的一个重要趋势，是大量使用单片微型计算机来改善汽车的性能。目前，平均每辆汽车上汽车电子装置的费用约占整车成本的20％，而且越是高档的轿车，电子化程度越高。因此，解决现代汽车中众多控制装置和电子仪表间数据交换问题，车载电子装置间的数据通信变得越来越重要，汽车仪表技术网络化已经成为汽车工业发展的必然趋势。为解决该问题，德国Bosch公司在20世纪80年代初开发了一种穿行数据总线—CAN总线。以分布式控制系统为基础构造的汽车车载电子网络系统，由于CAN总线具有通信速率高、可靠性好、连接方便、多主站点、通讯协议简单和性能价格比高等突出的优点，如今，CAN总线现已成为汽车电子控制装置之间通信的标准总线，在汽车分布式控制系统中得到了广泛的应用。

发明内容

本发明设计了一种CAN总线的汽车行驶检测系统，该系统体积小、精度高、系统实时性好、容易扩展，便于接入CAN网络而不用改变系统的硬件设计。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：CAN总线的汽车行驶检测系统，包括MCU微控制器、步行电机、E2PROM、LCD显示屏、光电隔离器、CAN收发器、CAN总线、车速传感器、车速信号调理电路、发动机转速传感器、转速信号调理电路、水温传感器、燃油液位转速传感器和模拟信号前置调理电路，所述的车速传感器与车速信号调理电路相连，所述的发动机转速传感器与转速信号调理电路相连，所述的水温传感器和燃油液位转速传感器分别与模拟信号前置调理电路相连，所述的MCU微控制器分别与车速信号调理电路、转速信号调理电路、模拟信号前置调理电路、步行电机、E2PROM、LCD显示屏和光电隔离器相连，所述的光电隔离器与CAN收发器相连，所述的CAN收发器与CAN总线相连。

优选地，所述车速传感器采用霍尔传感器。

优选地，所述水温传感器采用热敏电阻传感器。

优选地，所述MCU微控制器的型号为P87C591。

优选地，CAN收发器的型号为PCA82C250。

优选地，所述光电隔离器的型号为6N137。

本发明的CAN总线的汽车行驶检测系统主要有以下几个方面的有益效果：

(1)在总体结构设计中，成功的将CAN总线引入到汽车仪表涉及通信中，利用现场总线的通信速率高、容错性强等特点，提高了整个汽车仪表系统的现场数据通信的实时性和可靠性，大大的节约和简化汽车不限系统。

(2)以微处理器为核心的汽车组合仪表能大幅度提高测量精度和测量的实时性，同时克服了机械式仪表的无法回避的特点。

(3)本发明的系统采用软硬件结合的方法取得了较为满意的抗干扰效果。其中硬件抗干扰涉及是整个系统抗干扰设计的主要部分，是软件抗干扰设计的基础。

(4)本系统的优点是体积小、精度高、系统实时性好、容易扩展，便于接入CAN网络而不用改变系统的硬件设计。

附图说明

图1为系统的硬件结构示意图；

图2为车速信号调理电路；

图3为转速信号调理电路；

图4为模拟信号调理电路；

图5为P87C591管脚功能图；

图6为PCA82C250功能框图；

图7为CAN节点电路。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细叙述。

CAN总线的汽车行驶检测系统，包括MCU微控制器、步行电机、E2PROM、LCD显示屏、光电隔离器、CAN收发器、CAN总线、车速传感器、车速信号调理电路、发动机转速传感器、转速信号调理电路、水温传感器、燃油液位转速传感器和模拟信号前置调理电路，所述的车速传感器与车速信号调理电路相连，所述的发动机转速传感器与转速信号调理电路相连，所述的水温传感器和燃油液位转速传感器分别与模拟信号前置调理电路相连，所述的MCU微控制器分别与车速信号调理电路、转速信号调理电路、模拟信号前置调理电路、步行电机、E2PROM、LCD显示屏和光电隔离器相连，所述的光电隔离器与CAN收发器相连，所述的CAN收发器与CAN总线相连。

所述车速传感器采用霍尔传感器。所述水温传感器采用热敏电阻传感器。所述MCU微控制器的型号为P87C591。CAN收发器的型号为PCA82C250。所述光电隔离器的型号为6N137。

本系统采集来自汽车传感器的车速、转速、水温和机油压力信号，其中车速和转速是脉冲信号，经过整形处理后再经过光电隔离送入单片机完成脉冲信号的测量。水温和机油压力是模拟信号，经过前置处理后送入单片机的A/D转换输入端，利用其内部A/D转换器完成测量。测量结果经过MCU微控制器个送入步进电机驱动模块驱动步进电机分别显示车速转速、水温和机油压力。通过单片机计算汽车的行使里程并送入液晶显示模块显示，将里程数值存储于E²PROM。通过CAN接口将采集到的数据发送到CAN总线上，并且接收其他CAN节点的信号。系统硬件总体结构如图1所示。

车速传感器的选择：

信号采集测量主要是采集脉冲量(开关量)、模拟量等，车速与发动机的转速传感器输出的是脉冲量信号，水温，燃油液位及油压传感器输出的是模拟信号，而蓄电池电压本身就是模拟量。故这些由传感器输出的信号要先经过信号处理即进行隔离，放大，滤波和电平变换。

要想得到准确的测量数据，传感器的选择是非常关键的第一环节。传感器的测量精度只是其中的一方面要求，更重要的是由于汽车传感器的工作环境恶劣，受到各种因素的干扰，因此对传感器的可靠性和抗干扰能力要求非常高。

测量速度得传感器主要有四种类型：光电式、磁电式、磁振式和霍尔式。其中光电式传感器分辨率高，但易受外界的影响，灰尘、振动等干扰很容易使其失效；磁电式传感器结构简单，抗干扰能力强，在汽车发动机转速的检测中有很多的应用，但由于它为自发电性，在低速时输出信号很微弱，在速度接近零时无法使用。磁振式电路复杂，实际应用很少。所以，选择有良好的低速性能和抗干扰性能的霍尔式传感器作为车速传感器较为理想。

车速传感器输出的不是标准的方波信号，输入的脉冲信号频率低，一般在1K以内，而且往往附加了很多干扰，前置调理电路的任务是去除其中的干扰信号，并把信号整形为标准的方波信号输入给单片机。在设计中采用微分电路改善输入波形，使脉冲更加陡峭，三极管工作再开关状态，用于信号的放大驱动。光电耦合器和电阻R28、R29构成光电隔离电路，隔离干扰，R28为限流电阻，R29为上拉电阻；增加稳压二极管D3的目的是对脉冲输入信号限幅，保护三极管Q1的be结不致被正反向电压击穿。图2为车速信号调理电路。

转速信号前置调理电路设计：

发动机转速信号取自点火线圈初级，实际上是检测断电器的开关率。由于点火线圈的相互耦合作用，波形成分复杂，主要体现在触点开时，线圈中感生电动势较高(可达200～300V)，同时次级火花塞击穿产生的高频振荡也会耦合到初级，在信号上升沿产生一个相同频率的频振荡，其幅值有可能远远大于线圈初级的感生电动势，因此，电路计时应予充分考虑；同时所设计的采样电路应尽可能减小对点火电路气参数的影响。设计中主要考虑采用检波二极管消除负电压干扰和RC滤波器屏蔽高频成分。图3为转速信号调理电路。

模拟信号的处理：

本设计中处理的模拟信号包括两种，它们是冷却水温度信号和机油压力信号。

1、冷却液水温传感器的选择

冷却液水温传感器是用于检测发动机冷却液水温的，其是采用热敏电阻传感器，它是一个封闭装置，其上制有螺纹，可旋进汽缸壁或缸盖的水套中，它的里面是一个NTC(负温度系数)的热敏电阻，水温降低时，热敏电阻的阻值增大；水温升高时，则阻值减少，从而改变输出信号的大小。阻值和水温的关系用经验公式表示为：

Rt＝Ae^B/T或Rt＝R_t0e^B(1/T-1/T0)(1)

式1中：Rt为温度T(K)时热敏电阻的阻值，R_T0为温度T0(K)时的电阻值，其中A、B为常数，通常B值为1500～5000K，热敏电阻的电阻温度系数为：

$\∂=\frac{dRt/dT}{R}=\frac{1}{{\mathrm{Ae}}^{B/T}}{\mathrm{Ae}}^{B/T}\left(\frac{-B}{T^2}\right)=\frac{-B}{T^2}---\left(2\right)$

由式2可知α和B成正比，与温度的平方成反比，故常使用B值较大的元件，测量温度范围为-100～300℃。

水温表也4个档位，分别对应40℃刻度、60℃刻度、80℃刻度、100℃刻度处，代表水温的高低，也是一个非线性化的标定，无0刻度处，取4个参考点(330欧、145欧、75欧、45欧)，如表1所示。

表1温度传感器标定表

刻度点(℃)	40	60	80	100
					电阻值(Ω)	330±30	145±15	74.5±4.5	44.7±4.5

对于不在参考点处的值，在经过A/D转换后，可以对它们进行非线性化的处理，即根据传感器的特性曲线作近似的处理，最终对结果不会有大的影响。

2、机油压力传感器的选择

机油压力传感器是用于保证机油泵有正常的压力压送机油，原理是：当机油压力发生变化时，该传感器承受的压力也发生变化，则传感器输出的电阻也发生变化。它的标定值如表2所示：

表2机油压力传感器标定表

压力(Kpa)	0	100	200	300	400	500
							阻值(Ω)	12±3	48±4	82±4	116±5	150±4	184±5

由此可以看出压力变化和阻值变化几乎成线性关系。

3、模拟信号前置调理电路的设计

由以上对冷却水温度和机油压力两种传感器的分析可以看出，它们所输出的信号性质都是电阻值的变化量。因此对它们的调理电路原理基本相同，只是参数有所不同。经过调理的信号分别接到主控制器的P1.2和P1.3。冷却水温度和机油压力信号的前置调理电路如图4所示。

R10、R12、R13、R14构成电桥电路，其中R13为温度或者压力传感器，该电桥的作用是将传感器电阻的变化转化为电桥电压的变化。当电桥平衡时(R12＝R13，R10＝R11)，U2＝0。当R13阻值发生变化时，电桥的输出由下式可以求出：该电压再经过由一个差动放大电路放大输出，这里的差动放大器差模放大倍数是：这里通过调节相应的电阻值使其最大量程对应的模拟量为接近5V，然后与P87C591的AD脚连接，进行AD转换。

由温度传感器厂家提供，在0℃时，R13所测的电阻为1.6KΩ，为了使在0℃时所测电压为0，所以使R13＝R12＝1.6KΩ，R10＝R11＝100KΩ。

由压力传感器厂家提供，在常温常压时，R13所测的电阻为10Ω，为了使在常温常压时所测电压为0，所以使R13＝R12＝l0Ω，R10＝R11＝l0KΩ。

电桥中有一个调零电阻R14，调节它可以使电桥在基准状态下的输出电压为零，在温度调理电路中，调零电阻取值为1KΩ，在压力调理电路中取值为500Ω。

P87C591是PHILIPS半导体公司推出的带有在片CAN控制器的新型微控制器，是从80C51家族派生而来的一种新型单片机。P87C591是一个单片8位高性能微控制器，除了80C51的标准特性之外，器件还为实际应用提供件多专用的硬件功能。片中带有16K字节内部程序存储器，可外部扩展到64K字节；512字节片内数据RAM，可外部扩展到64K字节；并且有3个16位定时/计数器T0、T1(标准80C51)和附加的T2(捕获&比较)；片内6输入10位ADC；2个8位分辨率的脉宽调制输出(PWM)；包含一个看门狗定时器T3；带字节方式主和从功能的I²C总线串行I/O口；P87C591中包括4个中断优先级，l5个中断源，为我们编写高效率的程序软件提供了强大的硬件支持。全静态内核提供了扩展的节电方式，振荡器可停止和恢复而不会丢失数据，改进的1:1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率可实现500ns指令周期。微控制器以先进的CMOS工艺制造，并设计用于汽车和通用的工业应用。它有PLCC44和QFP44两种封装形式，我们选用的是QFP44封装。

P87C591组合了P87C554(PHILIPS微控制器)和SJA1000(独立CAN控制器)的功能，并具有如下的增强特性：

(1)增强的CAN接收中断；

(2)扩展的验收滤波器；

(3)验收滤波器可在运行中改变。

P87C591的CAN功能简介：

P87C591采用了强大的80C51指令集并成功的包括PHILIPS半体SJA1000CAN控制器的PeIiCAN功能，它完全履行CAN2.0规范提供一个直接从SJA1000独立CAN控制器的软件移植路径，其中包增强型验收滤波器、支持系统维护、诊断、系统优化以及接收FIFO性。该嵌入式CAN控制器包括了下列功能模块：

(1)CAN内核模块根据CAN2.0规范控制CAN帧的接收和发送；

(2)CAN接口包含5个实现CPU与CAN控制器连接的特殊功能存器。对重要CAN寄存器的访问通过快速自动增加的寻址特性和对殊功能寄存器的位寻址来实现；

(3)CAN控制器的发送缓冲区能够保存一个完整的CAN信息(扩展或标准帧)格式，只要通过CPU启动发送，信息字节就从发送缓冲区输到CAN内核模块；

(4)当接收一个信息时，CAN内核模块将串行位流转换成并行数输入到验收滤波器，通过该可编程滤波器，P87C591确定实际接收到信息；

(5)所有由验收滤波器验收的接收数据都保存在接收FIFO中。取决于操作模式和数据长度的不同，最多可存放21个CAN信息。这使用户在指定系统的中断服务和中断优先级时有更多的灵活性，因为数据出的可能性大大降低了。

CPU对所有PeLiCAN寄存器的访问通过5个特殊功能寄存器实现。它们分布在P87C591的地址范围内。所有Pei1CAN地址都通过间接指针(CANADR)寻址。此外，常用的PeiLCAN寄存器可以直接由CAN殊功能寄存器进行访问。

对不同寄存器的读与写操作对于PeiLCAN是不相同的。具体如下：

(1)通过CANMOD可以对PeLiCAN模式寄存器进行直接的读访问；

(2)通过写入CANCON对命令寄存器进行访问，通过读CANCON对中断寄存器进行访问；

(3)对CANSTA寄存器的写操作是对中断使能寄存器访问，读CANSTA是对PeiLCAN状态寄存器进行访问，CANSTA寄存器可以位寻址，这对查询很有效。

所有其它的CAN寄存器都要进行间接寻址，CANADR寄存器指PeiLCAN寄存器的地址。在写操作时，将要送到被寻址寄存器的数据写入CANDAT。读操作时，被寻址寄存器的数据可从CANDAT中读出。管脚功能如图5所示。

CAN智能节点硬件电路设计：

CAN智能节点硬件电路主要由3部分组成：集成在片CAN的微控制器P87C591，CAN总线收发器PCA82C250和高速光电耦合器6N137。

PCA82C250是飞利浦公司生产的，它是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。主要是为汽车中高速通讯应用而设计的，提供CAN控制器差动接收能力，完全符合“ISO11898”标准，且具有抗汽车环境下的瞬间干扰、保护总线的能力，同时具有降低射频干扰的斜率控制、热防护、防护电池与地之间发生短路、某一个节点掉电不会影响总线等特性。82C250功能框图如图6所示。

CAN节点电路：

节点的硬件连接如图7所示。

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，P87C591通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带5V隔离输出的开关电源模块实现。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻R6和R7与CAN总线相连电阻可起到一定的限流作用保护82C250免受过流的冲击CANH和CANL与地之间并联了两个30P的小电容可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力另外在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管当CAN总线有较高的负电压时通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。总线的两端应接有两个120Ω的电阻，对于匹配总线阻抗，起着重要的作用，忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。

Claims (6)

1.CAN总线的汽车行驶检测系统，其特征在于：包括MCU微控制器、步行电机、E2PROM、LCD显示屏、光电隔离器、CAN收发器、CAN总线、车速传感器、车速信号调理电路、发动机转速传感器、转速信号调理电路、水温传感器、燃油液位转速传感器和模拟信号前置调理电路，所述的车速传感器与车速信号调理电路相连，所述的发动机转速传感器与转速信号调理电路相连，所述的水温传感器和燃油液位转速传感器分别与模拟信号前置调理电路相连，所述的MCU微控制器分别与车速信号调理电路、转速信号调理电路、模拟信号前置调理电路、步行电机、E2PROM、LCD显示屏和光电隔离器相连，所述的光电隔离器与CAN收发器相连，所述的CAN收发器与CAN总线相连。

2.根据权利要求1所述的CAN总线的汽车行驶检测系统，其特征在于：所述车速传感器采用霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述的CAN总线的汽车行驶检测系统，其特征在于：所述水温传感器采用热敏电阻传感器。

4.根据权利要求1所述的CAN总线的汽车行驶检测系统，其特征在于：所述MCU微控制器的型号为P87C591。

5.根据权利要求1所述的CAN总线的汽车行驶检测系统，其特征在于：CAN收发器的型号为PCA82C250。

6.根据权利要求1所述的CAN总线的汽车行驶检测系统，其特征在于：所述光电隔离器的型号为6N137。