汽车轮速传感器设计中CAN总线的应用

汽车电子网络按功能可分为面向控制的网络(CON)和面向信息传输的网络(ION)。按网络信息传输速度，美国汽车工程师协会(SAE)将网络分为A， B，C三类。A类为低速网，波特率在9600bps以下，进而波特率在125kbps以下为中速网B类，125kbps以上为高速网C类。车轮速度(即车轮绕轮轴旋转的线速度)传感器(简称轮速传感器)信号，可供发动机控制模块、防抱制动系统(ABS)控制模块及仪表控制模块共享，使车辆在制动过程中，防抱制动控制模块和发动机控制模块联合控制，达到最佳制动效能。发达国家虽已普遍使用ABS系统，但对轮速信号处理的方法以硬件和软件的形式作为ABS系统的电子控制器(ECU)的一部分而制成专用电路和芯片加以保护。国内对轮速信号的处理大多存在轮速识别的门槛值过高(车速即车体的速度低于10km/h时就无法正确测量车轮速度)的问题。

笔者利用研制的转鼓轮速传感器试验台进行试验，针对轮速传感器产生的信号特点，设计了基于CAN总线的汽车轮速传感器信号处理电路，并用单片机对此信号采集、量化。结果显示：设计出的轮速传感器系统具有轮速测量门槛低(车速达3km/h)、工作可靠、抗干扰能力强等优点，同时，可作为CAN总线局域网的测点，实现传感器信号的数字化、网络化的变送。

轮速传感器

由于磁电式传感器工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响，所以，目前在汽车中使用的轮速传感器广泛采用变磁阻式电磁传感器。变磁阻式轮速传感器由定子和转子组成。定子包括感应线圈和磁头(为永久磁铁构成的磁级)两部分。转子可以是齿圈或齿轮两种形式。齿轮形式的转子如图1(a)所示。磁头固定在磁极支架上，支架固定在长轴上，齿圈通过轮毂、制动毂连为一体，长轴穿过车轮与内部的轴承配合，如图1(b)所示。

转子的转速与车轮的角速度成正比。转鼓带动车轮转动，传感器转子的齿顶、齿间的间隙交替地与磁极接近、离开，使定子感应线圈中的磁场周期性的变化，在线圈中感应出交流正弦波信号。控制试验台使车轮运转在各种工况，对传感器输出信号进行测量。实验结果表明了变磁阻式轮速传感器产生的信号具有如下特征：

(1)传感器产生的信号为接近零均值的正弦波信号;

(2)正弦波信号的幅值受气隙间隔(磁头与齿圈间的气隙，一般在1.0mm左右为最理想)和车轮转速的影响。气隙间隔越小，车轮速度越高，正弦波信号的幅值越大;

(3)正弦波信号的频率受齿圈的齿数和车轮转速的影响，为每秒钟经过磁头线圈的齿数，即等于齿圈齿数乘以每秒钟的轮速。变磁阻式轮速传感器所产生的信号如图2所示。

试验模拟的是BJ212车型的前轮，用转鼓转速模拟车速。当控制转鼓转速为3km/h时，88齿的传感器产生正弦波信号的幅值约为1V，其频率为 31Hz;当控制转鼓转速为100km/h时，传感器产生的正弦波信号的幅值约为7V，其频率为1037Hz。由于齿轮加工产生的毛刺和其它环境因素的影响，实际信号为在上述信号中叠加了一定频率成分干扰信号，见图2(b)。

轮速信号的检测

将轮速传感器输出的每个正弦波信号调理整形产生一个方波信号，后续电路对方波信号的处理可有以下几种方法：(1)直接送单片机的 T0记数，用T1作定时器。在每个T1定时时间内读出T0的记数值，经计算得到轮速;(2)将方波信号先进行F/V转换，再由单片机A/D转换而得到轮速;(3)方波信号送单片机的外部中断/INT0引脚，将其设定为边沿触发方式，用T1作定时器对方波信号进行周期测量，经计算得到轮速。第一种方法在低速时所测得的轮速误差较大。假定轮速不变，每个T1定时时间读一次T0的记数值，在T1i和T1i 1时间内读得数值由于读数时磁头与齿顶的位置关系有时会相差1，轮速较低时， T1定时时间内T0的记数值较小，因而相对误差较大，导致轮速识别的门槛值过高。第二种方法可提高低速时的测量准确度，但增加了硬件F/V和A/D转换芯片的开支。第三种方法可以在不增加硬件开支的前提下，有效地提高低速时的测量准确度。

轮速传感器系统硬件

轮速传感器系统的硬件以80C31单片微机为核心(外部扩展8kRAM和8kEPROM)。外围电路有信号处理电路、总线控制及总线接口等电路。其结构框图如图3所示。

轮速传感器产生信号经滤波、整形、光电隔离后，送80C31的/INT0输入引脚。T1作定时器使用，对脉冲信号进行周期测量。 SJA1000， 82C250组成与CAN总线的控制和接口电路。在轮速传感器的设计过程中，充分考虑其抗干扰和稳定性，单片机的输入/输出端均采用光电隔离，用看门狗定时器(MAX813)进行超时复位，确保系统可靠工作。

信号处理电路

根据轮速传感器信号特性，处理电路由限幅电路、滤波电路和比较整形电路组成，如图4所示。

限幅电路将轮速传感器输出信号Vi正半周的幅值限制在5V以下，负半周使其输出为-0.6V。滤波电路设计成带反馈的有源低通滤波器，其截止频率为 2075Hz(按最高车速为200km/h设计，传感器输出信号对应的频率)，选Q=0.707。比较整形电路中设置一定的比较电压，与滤波器输出信号相比较输出方波信号。LM311N输出方波的幅值为10V，经R5，R6分压后得幅值为5V的方波信号送光电隔离器。

总线通信电路

总线接口电路包括传感器与CAN总线接口和仪表板节点与CAN总线接口。通过总线接口电路实现传感器和节点间的数据、控制指令和状态信息的传送。使用总线接口容易形成总线式网络的车辆局域网拓扑结构。具有结构简单、成本低、可靠性较高等特点。

传感器与CAN总线的接口以CAN控制器SJA1000为核心，通过82C250实现传感器与物理总线的接口。CAN总线物理层和数据连路层的所有功能由通信控制器SJA1000来完成。它具有BasicCAN(82C200兼容模式)和PeliCAN(扩展特性)2种工作模式，采用多主结构，具有与各种类型的微处理器相连地接口。

SJA1000的引脚功能和电器特性与82C200完全兼容，较82C200具有更强的错误诊断和处理功能。它具有编程时钟输出，可编程的传输速率(最高达1Mbps)，可编程的输出驱动器组态，可组态的总线接口，用识别码信息定义总线访问优先权。控制器使用方便、价格便宜、工作环境温度范围(- 40～125℃)，特别适合于汽车及工业环境使用。

82C250作为CAN总线控制器和物理总线间的接口，是为汽车高速传输信息(最高为1Mbps)设计的。它提供对CAN控制器的差动接收功能和对总线的差动发送能力，完全与ISO11898标准兼容。在运动环境中，具有抗瞬变、抗射频和抗电磁干扰性能，内部的限流电路具有电路短路时对传送输出级进行保护的功能。芯片的特色是通过对Rs(8号)引脚输入电平的设计，可工作于3种工作方式：(1)高速方式(Vrs《0.3Vcc);(2)斜率方式 (0.4Vccrs《0.6Vcc);(3)待机方式(Vrs》0.75Vcc)。芯片以高速方式工作时，发送输出晶体管尽可能快的简单地开和关，不测量限制上升和下降的斜率，要用屏蔽电缆来避免射频干扰。当芯片以斜率方式工作时，总线可用非屏蔽的双绞线或并行线。对上升和下降的斜率的限制，取决于Rs引脚到地的连接电阻值，并与Rs引脚的电流成正比。

SJA1000，82C250的信号电平与TTL兼容，可直接接口。但为提高可靠性和抗干扰性能，在智能传感器的设计中，它们之间用光电隔离。 SJA1000的RD，WR，ALE，INT分别与80C31的RD，WR，ALE，INT0引脚相连。80C31的P0.0～P0.7与SJA1000 的AD0～AD7接口，80C31和SJA1000用统一的5V电源供电。给SJA1000的RX1脚提供约0.5Vcc的维持电位。82C250的 CANH，CANL间并接120Ω匹配电阻后接至物理总线，Rs引脚接地，选择高速方式。传输介质采用屏蔽线，以提高总线接口的抗干扰能力。

试验结果

先作信号处理电路试验。用XD5-1信号发生器产生的正弦波模拟传感器信号输入电路，用双踪示波器观察输入输出波形。输入信号在峰值0.6V以上时，电路输出方波、无信号丢失。频率从20～2075Hz，同样，试验也无信号丢失。信号小于0.6V时，无方波输出，即低于0.6V的噪声进不了微机系统。可通过调节电路中R2，R3的阻值改变最小信号的门槛值。在转鼓传感器试验台上对传感器信号作试验。试验结果如表1所示。

BJ212车型前轮的半径是0.375m，磁感应式传感器的齿圈为88齿。表中测速系统显示值与车速表读数值之差是因为车速表误差之故。车速从 3～200km/h，对应的频率从31～2075Hz，设计的测速系统完全覆盖了此车速范围。用非接触式红外测速表检验时，误差在0.3%之内，证明了传感器及信号处理电路的合理性。与仪表盘节点的信息传输试验：传感器测速系统与仪表盘节点的接收和发送信号一致;发送和接收到的信号的数据格式与设定的11 位数据格式一致。

结 论

基于CAN总线的轮速传感器充分发挥了磁感应式传感器的潜能，具有车速识别的门槛值低(3km/h)、测量准确度高、实用性和抗干扰性强、工作可靠等优点，适合在汽车运动环境中使用，且易于与其它测控节点组成网络，实现传感器数据的网络化传输。