基于飛思卡爾單片機(jī)的車(chē)用里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 敏錢(qián) 峰喬 斌龐 輝

（1 蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

（2 埃泰克汽車(chē)電子（蕪湖）有限公司，安徽 蕪湖 241009）

1 汽車(chē)?yán)锍虃鞲衅鳒y(cè)試系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和意義

目前，不論是汽車(chē)整車(chē)廠還是傳感器生產(chǎn)廠家，對(duì)于傳感器成品率的要求不斷提高，而且傳感器的質(zhì)量好壞直接影響到汽車(chē)的安全性，因此設(shè)計(jì)汽車(chē)?yán)锍虃鞲衅鳈z測(cè)系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展特別是對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。早期的里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)依賴(lài)于現(xiàn)成的儀器儀表，如示波器、萬(wàn)用表等，測(cè)試效率低[1]，而且易受到人為因素的影響，并且測(cè)試數(shù)據(jù)顯示不直觀。最近國(guó)內(nèi)高校和科研院所也設(shè)計(jì)了一系列里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)，采用8位單片機(jī)作為控制核心[2][3]，并使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)傳感器檢測(cè)，由于步進(jìn)電機(jī)在高速或堵轉(zhuǎn)情況下容易失步，而且8位單片機(jī)作為核心芯片功能簡(jiǎn)單，外圍需要添加大量芯片，使得系統(tǒng)硬件復(fù)雜。鑒于上述因素，設(shè)計(jì)更為穩(wěn)定的傳感器驅(qū)動(dòng)模塊和高精度、高可靠性的單片機(jī)控制系統(tǒng)及上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)里程傳感器的數(shù)據(jù)釆集、處理、顯示、以及功能設(shè)置的測(cè)試系統(tǒng)具有較廣的應(yīng)用空間[4]。

2 汽車(chē)?yán)锍虃鞲衅飨到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)

汽車(chē)?yán)锍虃鞲衅鳒y(cè)試系統(tǒng)由上下位機(jī)構(gòu)成，根據(jù)里程傳感器測(cè)試要求，系統(tǒng)包括0～36V可調(diào)穩(wěn)壓電源、計(jì)算機(jī)、1KW變頻器、0.5kW異步交流電機(jī)和飛思卡爾單片機(jī)控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)不同型號(hào)的里程傳感器工作電壓，上位機(jī)通過(guò)串口控制穩(wěn)壓電源的輸出至里程傳感器，下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)出的指令，控制MC9S12G128MLL飛思卡爾單片機(jī)通過(guò)SPI接口與DA芯片通信，再通過(guò)跟隨器輸出0～10V模擬電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的轉(zhuǎn)速控制，采用IO口控制變頻器啟停，變頻器驅(qū)動(dòng)異步交流電機(jī)通過(guò)軟軸帶動(dòng)里程傳感器，AD芯片采集里程傳感器輸出信號(hào)和通過(guò)SPI接口與單片機(jī)通信，以及通過(guò)輸入捕捉口實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的一系列參數(shù)的采集，最后經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，通過(guò)串口輸出到PC機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的顯示，測(cè)試系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2.1 車(chē)用里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 里程傳感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)速指令，通過(guò)SPI接口PJ4-PJ7發(fā)送至串行12位DA芯片TLV5618A，將DA輸出電壓經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路送入變頻器，達(dá)到變頻器所能接收的控制電壓范圍0～10v，根據(jù)傳感器負(fù)載特性，本系統(tǒng)采用功率為1KW的變頻器，其外部控制電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，工作原理為DA芯片輸出的0～5v電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放lm2902進(jìn)行2倍的電壓放大，實(shí)現(xiàn)0～10v輸出，為避免變頻器對(duì)前級(jí)電路的干擾，電壓放大后通過(guò)lm2902跟隨器輸入到變頻器的外部電壓控制端，實(shí)現(xiàn)變頻器對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速，同時(shí)異步電機(jī)通過(guò)工裝夾具和軟軸驅(qū)動(dòng)里程傳感器。

圖1 車(chē)用里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)總體框圖

圖2 電平轉(zhuǎn)換電路

2.1.2 里程傳感器信號(hào)采集、處理設(shè)計(jì)

里程傳感器輸出0～12V信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓，通過(guò)lm2902構(gòu)成的跟隨器整形濾波[5]，并轉(zhuǎn)換為0～5V信號(hào)接入單片機(jī)PT0輸入捕捉口，實(shí)現(xiàn)上升沿和下降沿的判斷以及占空比的采集。另外，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的信號(hào)通過(guò)TLC2543串行12位AD的SPI總線（PS4-PS7）進(jìn)入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)上升沿和下降沿時(shí)間以及高低電平幅值的計(jì)算，傳感器工作電流的檢測(cè)通過(guò)里程傳感器下拉取樣電阻，經(jīng)過(guò)運(yùn)放LM2902將取樣信號(hào)放大11倍，再經(jīng)過(guò)跟隨器進(jìn)入單片機(jī)PAD0，工作電壓的獲取是通過(guò)電阻分壓后輸入至單片機(jī)PAD1口，電路如圖3所示。

圖3 傳感器工作電壓和電流檢測(cè)電路

2.2 里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)通信及控制軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)在Codewarrior環(huán)境下采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。首先單片機(jī)上電初始化，包括單片機(jī)底層模塊和時(shí)基調(diào)度器的初始化，該時(shí)基調(diào)度器實(shí)現(xiàn)了RTOS的調(diào)度功能，在該調(diào)度器框架下可以更加便捷的進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。初始化完成后，單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式等待中斷喚醒，該系統(tǒng)有3種中斷需要處理，一是脈沖輸入捕捉中斷，該中斷可以識(shí)別上升沿和下降沿的到來(lái)，以及開(kāi)啟定時(shí)器計(jì)算脈沖寬度。二是1us時(shí)基中斷，在該中斷中通過(guò)SPI讀取12bit AD芯片TLC2543的當(dāng)前AD值，并根據(jù)AD值的變化計(jì)算出上升沿、下降沿的時(shí)間和當(dāng)前電壓幅值。三是串口接收中斷，在該中斷中接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，解析數(shù)據(jù)幀并根據(jù)參數(shù)設(shè)置12bit DA芯片TLV5618A并通過(guò)PA0使能變頻器。同時(shí)單片機(jī)把采集到的相關(guān)內(nèi)容通過(guò)串口發(fā)送到PC端顯示。流程圖如圖4所示。

圖4 車(chē)用里程傳感器下位機(jī)控制流程圖

2.2.2 里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用C＃語(yǔ)言基于微軟.Net窗口框架進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，在程序運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并等待下位機(jī)通信和數(shù)字可調(diào)電源通信串口號(hào)的設(shè)置。串口設(shè)置完成后，等待并處理相關(guān)事件。該事件分為兩類(lèi)，一類(lèi)是串口接收事件，該事件負(fù)責(zé)接收下位機(jī)數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，以及在相關(guān)文本框控件中顯示。另一類(lèi)是按鍵點(diǎn)擊事件，該事件中讀取文本框設(shè)置的參數(shù)信息，并以相應(yīng)幀格式封裝后通過(guò)串口發(fā)送到下位機(jī)和數(shù)字可調(diào)電源。上位機(jī)流程圖如2-5所示，系統(tǒng)操作界面如2-6所示。

圖5 車(chē)用里程傳感器上位機(jī)控制流程圖

3 結(jié)論

根據(jù)車(chē)用電子車(chē)速里程表傳感器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在給定不同轉(zhuǎn)速下獲得了傳感器信號(hào)參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)?yán)锍虃鞲衅餍盘?hào)的脈沖數(shù)、占空比、上升沿及下降沿時(shí)間、高電平及低電平幅值以及傳感器電流的檢測(cè)和顯示，并在運(yùn)行規(guī)定測(cè)試時(shí)間后，對(duì)不符合車(chē)用里程傳感器標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)值實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)保存并回放，同時(shí)通過(guò)波形圖直觀反映傳感器特性。設(shè)計(jì)的人機(jī)界面操作方便，本系統(tǒng)可用于汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)或車(chē)速、里程傳感器的在線檢測(cè)。

圖6 車(chē)用里程傳感器測(cè)試系統(tǒng)操作界面

[1] 余志科.汽車(chē)轉(zhuǎn)速傳感性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[2] 李金波，劉明黎.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，（3）：54-56.

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[4] 邱淑賢.霍爾式汽車(chē)車(chē)速傳感器檢測(cè)系統(tǒng)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（3）：319-323.

[5] 汪云.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置[J].傳感器技術(shù)，2003，（10）：45-47.