程控可調電阻單元系統設計

賈曉亮，賴震，蘇亮

（1.中信機電制造公司監管臨汾室，山西侯馬，043000；2.中信機電制造公司科研設計院，山西侯馬，043000）

0 引言

傳感器是一種能夠檢測被測信息并通過人工配置將其轉換為電信號或其他形式的信號以適應信息傳輸和處理操作的部件。本文介紹了一種緊湊型程控可調電阻單元，用于模擬電阻型傳感器，可以快速輸出電阻值并同步調節電阻值，具有調節范圍大、操作簡單、可靠性高、執行效率高等優點。

1 硬件電路設計

硬件電路以MCU 為核心，以CAN 總線作為通訊介質，與外部控制單元進行協同控制。硬件系統主要由四部分構成：供電單元電路、CAN 通信單元電路、繼電器陣列單元、MCU 控制單元。系統原理圖如圖1 所示。

圖1 系統原理圖

供電單元電路采用DC4.5～40V 寬輸入范圍DC-DC 變換器，實際外部供電電源可選擇12V 或24V 標準供電電源。DC-DC 變換器將外部供電變換為5.0V 電源，供給MCU 系統和其他電路使用。供電單元電路原理如圖2 所示。

圖2 供電單元電路原理圖

CAN 通信單元使用TJA1050 高速CAN 總線物理層接口芯片，該芯片可以工作在5V 電源系統內，具備全速1Mbps的通信速率，支持 ISO11898 CAN 總線通信協議，兼容各型車輛、交通系統的CAN 總線網絡，是一款可靠性較高的CAN 總線物理層接口芯片。本設計中使用TJA1050 作為CAN 總線物理層接口，采用1Mbps 通信速率。CAN 通信電路原理如圖3 所示。

圖3 CAN 總線通信電路

繼電器陣列單元是控制電阻阻值的核心部分。該單元主要包含3 部分電路：繼電器驅動、繼電器陣列、精密電阻。

繼電器驅動電路使用了專用繼電器驅動集成電路芯片MAX4820EUP+T。MAX4820EUP+T 芯片供電兼容3.3V 和5.0V 系統，配備8 通道繼電器驅動電路，單路驅動輸出電流70mA，內部集成續流二極管，支持三線SPI（串行外設接口Serial Peripheral Interface)通信，可以極大減少PCB布線走線問題。MAX4820EUP+T 邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 MAX4820EUP+T邏輯框圖

由于驅動繼電器較多，本設計充分利用MAX4820EUP+T的SPI 通信，采用多個芯片級聯方式控制多個繼電器，進而達到控制繼電器陣列的目的。本系統設計了3 通道電阻，繼電器驅動控制電路如圖5 所示，MAX4820EUP+T 與繼電器可以直接連接，電路如圖6 所示。

圖5 MAX4820EUP+T級聯電路

圖6 MAX4820EUP+T與繼電器連接

繼電器陣列部分可以實現繼電器導通與斷開控制，從而使得不同繼電阻組合，最終得到需要的電阻值。雙通道繼電器陣列電路原理如圖7 所示。

圖7 三通道繼電器陣列

精密電阻控制原理如圖6 所示。以繼電器K1 為例，繼同時繼電器具備3000V 的絕緣隔離，可以使控制部分與電阻通道形成有效的電氣隔離，提高安全性。

精密電阻選用了精度為1%的金屬薄膜電阻，如圖7 所示電阻從左至右，在精度允許范圍內，電阻值遵循2 的多次冪規律。電阻輸出可以實現步進分辨率1Ω，0～8.32MΩ連續可調輸出。匹配電阻列表如表1 所示。

表1 精密電阻列表

本設計配備了3 通道電阻，每通道由23 個電阻組合、25 個繼電器、1 個保險絲構成。其中23 個繼電器用于對精密電阻的切換，另外兩個用于電阻通道總線BUSA 和BUSB的切換，即總線BUSA 和BUSB 可以模擬一些特定情況下的故障，輸入至電阻通道中。

MCU 控制單元使用意法半導體STM8S208C8 作為電器K1默認狀態為銜鐵釋放，繼電器不接通，電阻R15（1Ω）接入電路。當繼電器K1 收到RSA1 信號后，繼電器線圈通電，繼電器內部銜鐵吸合，將R15 短路，該單元在電路中體現電阻值為0Ω。從而實現了電阻接入主電路或從主電阻電路中脫離。通過繼電器陣列不同的組合，形成不同的電阻組合。主控芯片，MCU 采用5V 供電。MCU 最小系統中還配備了24MHz 晶體振蕩器，程序燒錄接口，8421 地址識別電路等。MCU 通過CAN 總線接收通訊指令，將指令計算成MAX4820EUP+T 控制信號，然后通過板載SPI 通信將指令傳遞給MAX4820EUP+T，MAX4820EUP+T 將開關量傳遞給繼電器陣列進行執行。MCU 控制單元電路原理如圖8 所示。

圖8 MCU 控制單元

此外MCU 控制單元還配備了8421 地址識別電路，用于設定本地板卡地址。設定完成板卡地址后，CAN 總線上可以掛載多個不同類別板卡設備，本地板卡只識別其他控制器發給本地址的指令，而不執行其他地址板卡的指令。這樣可以更好地與其他設備系統兼容，也可以實現多種類板卡、多通道共同受控。地址識別原理如圖9 所示。

圖9 地址識別電路

2 軟件技術設計

程控可調電阻單元系統以單片機STM8 為控制核心，使嵌入系統中的控制單片機向相應的硬件芯片發送控制指令，控制繼電器的動作，控制多個通道輸出需要的阻值；可以控制相關繼電器的閉合和斷開，模擬開路、短路等故障。

采用CAN 通信協議。控制單片機都有一個一個字節的專有地址標志碼，用于上位機識別單片機的身份。該地址標志碼由硬件電路確定，并且可根據需要設置為0～9 中任意一個數字。

模擬電池接入12V 直流電壓，單片機進入工作狀態，電源指示燈常亮，系統開始初始化。系統初始化程序主要包括：系統時鐘初始化、看門狗初始化、IO 口初始化、SPI模塊初始化、定時器初始化、CAN 模塊初始化6 個模塊。

系統初始化后，讀取板卡ID 值。每個電池模擬器都有唯一身份標志，單片機通過檢測相連的端口電平，確認每個電池模擬器的板卡號，這樣可以區分上位機發送的指令，同時上位機也能獲取特定電池模擬器的信息，有了板卡號，在建立含有多個板卡的系統中，不會出現通信混亂問題。讀取板卡ID 值后，輸出電阻阻值初始化。

總線BUSA 和BUSB 的連接狀態默認為斷開，通過控制繼電器的開或斷進行控制。同時為了提高驅動能力，采用反向達林陣芯片ULN2803 增加輸出的驅動能力。當BUSA 和BUSB 連接狀態開始初始化，程序中調用enableInterrupts使能總中斷，當發生定時器中斷或者CAN 接收中斷后能進入中斷服務程序，處理中斷。

當接收到CAN 口發送的數據，便開始命令處理，CAN接收中斷命令處理流程圖如圖10 所示。

圖10 CAN 接收中斷命令處理流程圖

到定時時間后，發送心跳命令，CAN 口接收16 進制命令后，可獲取版本信息、設置輸出阻值和狀態、測試命令，定時器中斷流程圖如圖11 所示。

圖11 定時器中斷流程圖

3 測試結果分析

程控可調電阻單元系統將數據發送至上位機，在上位機中進行顯示與記錄。

程控可調電阻單元數據的顯示采用了圖表的方式，測試結果如表2 所示。

表2 程控可調電阻單元測試結果

程控可調電阻單元，快速輸出電阻值的同時，可以同步調節電阻值的大小，誤差小、精度高。作為模擬電阻型傳感器，在交通設備制造業，測試測量裝備方面，效果直觀，為裝備生產或監測數據提供了具有重要價值的可靠數據。

4 結束語

本文設計了一種緊湊型程控可調電阻單元，用于模擬電阻型傳感器，在調節電阻值大小的同時，可以快速輸出電阻值，同時搭建了滿足測試要求的測試程序。得益于程序的模塊化設計，系統易于開發，可以滿足各種升級需求。通過實際測試，系統設計滿足要求，精度高。它可以簡化測試步驟，縮短測試時間，具有重要的實際意義。