利用CAN總線的進(jìn)行汽車輪速傳感器設(shè)計(jì)

　　目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是汽車電子領(lǐng)域發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。它不僅是解決汽車電子化中的線路復(fù)雜和線束增加問題的技術(shù)，而且其通訊和資源共享能力成為新的電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)在車上應(yīng)用的一個基礎(chǔ)，是車上信息與控制系統(tǒng)的支撐。

　　汽車電子網(wǎng)絡(luò)按功能可分為面向控制的網(wǎng)絡(luò)(CON)和面向信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)(ION)。按網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速度，美國汽車工程師協(xié)會(SAE)將網(wǎng)絡(luò)分為A， B，C三類。A類為低速網(wǎng)，波特率在9600bps以下，進(jìn)而波特率在125kbps以下為中速網(wǎng)B類，125kbps以上為高速網(wǎng)C類。車輪速度(即車輪繞輪軸旋轉(zhuǎn)的線速度)傳感器(簡稱輪速傳感器)信號，可供發(fā)動機(jī)控制模塊、防抱制動系統(tǒng)(ABS)控制模塊及儀表控制模塊共享，使車輛在制動過程中，防抱制動控制模塊和發(fā)動機(jī)控制模塊聯(lián)合控制，達(dá)到最佳制動效能。發(fā)達(dá)國家雖已普遍使用ABS系統(tǒng)，但對輪速信號處理的方法以硬件和軟件的形式作為ABS系統(tǒng)的電子控制器(ECU)的一部分而制成專用電路和芯片加以保護(hù)。國內(nèi)對輪速信號的處理大多存在輪速識別的門檻值過高(車速即車體的速度低于10km/h時就無法正確測量車輪速度)的問題。

　　筆者利用研制的轉(zhuǎn)鼓輪速傳感器試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)，針對輪速傳感器產(chǎn)生的信號特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的汽車輪速傳感器信號處理電路，并用單片機(jī)對此信號采集、量化。結(jié)果顯示:設(shè)計(jì)出的輪速傳感器系統(tǒng)具有輪速測量門檻低(車速達(dá)3km/h)、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時，可作為CAN總線局域網(wǎng)的測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器信號的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變送。

　　輪速傳感器

　　由于磁電式傳感器工作穩(wěn)定可靠，幾乎不受溫度、灰塵等環(huán)境因素的影響，所以，目前在汽車中使用的輪速傳感器廣泛采用變磁阻式電磁傳感器。變磁阻式輪速傳感器由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子包括感應(yīng)線圈和磁頭(為永久磁鐵構(gòu)成的磁級)兩部分。轉(zhuǎn)子可以是齒圈或齒輪兩種形式。齒輪形式的轉(zhuǎn)子如圖1(a)所示。磁頭固定在磁極支架上，支架固定在長軸上，齒圈通過輪轂、制動轂連為一體，長軸穿過車輪與內(nèi)部的軸承配合，如圖1(b)所示。

　　轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與車輪的角速度成正比。轉(zhuǎn)鼓帶動車輪轉(zhuǎn)動，傳感器轉(zhuǎn)子的齒頂、齒間的間隙交替地與磁極接近、離開，使定子感應(yīng)線圈中的磁場周期性的變化，在線圈中感應(yīng)出交流正弦波信號?？刂圃囼?yàn)臺使車輪運(yùn)轉(zhuǎn)在各種工況，對傳感器輸出信號進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了變磁阻式輪速傳感器產(chǎn)生的信號具有如下特征：
(1)傳感器產(chǎn)生的信號為接近零均值的正弦波信號；

　　(2)正弦波信號的幅值受氣隙間隔(磁頭與齒圈間的氣隙，一般在1.0mm左右為最理想)和車輪轉(zhuǎn)速的影響。氣隙間隔越小，車輪速度越高，正弦波信號的幅值越大；

　　(3)正弦波信號的頻率受齒圈的齒數(shù)和車輪轉(zhuǎn)速的影響，為每秒鐘經(jīng)過磁頭線圈的齒數(shù)，即等于齒圈齒數(shù)乘以每秒鐘的輪速。變磁阻式輪速傳感器所產(chǎn)生的信號如圖2所示。

　　試驗(yàn)?zāi)M的是BJ212車型的前輪，用轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速模擬車速。當(dāng)控制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3km/h時，88齒的傳感器產(chǎn)生正弦波信號的幅值約為1V，其頻率為 31Hz；當(dāng)控制轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為100km/h時，傳感器產(chǎn)生的正弦波信號的幅值約為7V，其頻率為1037Hz。由于齒輪加工產(chǎn)生的毛刺和其它環(huán)境因素的影響，實(shí)際信號為在上述信號中疊加了一定頻率成分干擾信號，見圖2(b)。

　　輪速信號的檢測

　　將輪速傳感器輸出的每個正弦波信號調(diào)理整形產(chǎn)生一個方波信號，后續(xù)電路對方波信號的處理可有以下幾種方法：(1)直接送單片機(jī)的T0記數(shù)，用T1作定時器。在每個T1定時時間內(nèi)讀出T0的記數(shù)值，經(jīng)計(jì)算得到輪速；(2)將方波信號先進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換而得到輪速；(3)方波信號送單片機(jī)的外部中斷/INT0引腳，將其設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式，用T1作定時器對方波信號進(jìn)行周期測量，經(jīng)計(jì)算得到輪速。第一種方法在低速時所測得的輪速誤差較大。假定輪速不變，每個T1定時時間讀一次T0的記數(shù)值，在T1i和T1i+1時間內(nèi)讀得數(shù)值由于讀數(shù)時磁頭與齒頂?shù)奈恢藐P(guān)系有時會相差1，輪速較低時， T1定時時間內(nèi)T0的記數(shù)值較小，因而相對誤差較大，導(dǎo)致輪速識別的門檻值過高。第二種方法可提高低速時的測量準(zhǔn)確度，但增加了硬件F/V和A/D轉(zhuǎn)換芯片的開支。第三種方法可以在不增加硬件開支的前提下，有效地提高低速時的測量準(zhǔn)確度。

　　輪速傳感器系統(tǒng)硬件

　　輪速傳感器系統(tǒng)的硬件以80C31單片微機(jī)為核心(外部擴(kuò)展8kRAM和8kEPROM)。外圍電路有信號處理電路、總線控制及總線接口等電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。