基于CAN總線的溫度檢測節點設計(圖)

　　在對電子點火模塊的測試中，為了模擬電子點火系統的真實工況，電子點火模塊往往被置于高于常溫的環境下進行電子點火實驗，以獲得最接近真實汽車運行工況的點火參數數據。由于電子點火模塊自身的發熱，其核心元件的溫度成為影響電子模塊性能的重要因素；另外，還要考慮環境溫度是否達到模擬真實工況的要求等。

　　本文介紹了一種應用LM35溫度傳感器和PICMicro的溫度檢測節點的設計方案，用于檢測在模擬汽車電子點火的過程中，電子點火模塊的核心模塊溫度和環境溫度，將闡明模塊結構、工作原理及采樣值量化的方法。

　　節點原理與結構

　　該溫度檢測節點由傳感器電路、信號調理電路、單片機應用系統、CAN總線接口等構成。電路基本工作原理是：傳感器電路將感應到的溫度信號以電壓的形式輸出到信號調理電路，信號經過調理后輸入到A/D采樣電路，由ADC將數字量值送給單片機系統。單片機系統將監控實時溫度，當溫度超過警戒值和危險值時，單片機將主動發送警告信息到上位機，提醒操作人員檢查。模塊邏輯結構如圖1所示。

　　圖1 溫度檢測節點邏輯結構

　　傳感器電路采用溫度傳感器LM35，供電電壓為15V直流，工作電流為120mA ，功耗極低，在全溫度范圍工作時，電流變化很小，電壓輸出采用差動信號方式，由2、3引腳直接輸出。LM35輸出信號經過一個由RC組成的LP濾波器，濾除高頻的噪聲干擾。

　　本節點的核心MCU是PIC16F87x，是Microchip公司推出的低功耗8位單片機。PIC16F87x擁有精簡指令集，執行速度為200ns。CAN 控制器采用Microchip公司的MCP2510，總線驅動器采用PCA82C250，總線隔離電路采用光耦6N317，信號調理電路采用LF412。溫度監測模塊的硬件結構如圖2所示。

　　圖2 溫度監測模塊硬件結構

　　信號調理電路主要完成對傳感器信號放大和限幅的功能，將傳感器電路輸出的變化范圍為2V左右的直流電壓，調理為符合PICMicro的AD接口的電壓范圍，既不能超過AD采樣的量程，又要有相當的信號精度。單片機通過A/D采樣通道采集傳感器的溫度數據，并計算溫度范圍。

　　外圍設備電路為PIC16F87x最小系統運行所需要的必要外設。PIC16F87x通過SPI總線與MCP2510進行數據交換，完成CAN總線數據包的發送和接收，其接口電路如圖3所示。

　　圖3 PIC16F877與MCP2510的接口電路

　　其中，SCK為SPI總線時鐘，PIC16F87x模塊的SPI接口接MCP2510的SI、SO、SCK，RA4與RA1分別控制MCP2510的芯片復位和片選。INT接受MCP2510的中斷請求。

　　系統軟件設計

　　1系統軟件流程

　　為了避免因干擾而產生誤動作，軟件采取了一些冗余和容錯處理，在A/D模塊處理采樣數據時，采用了軟件濾波措施，以濾除電路中可能會出現的尖峰干擾。

　　方法為連續采樣五次，通過比較判斷，去掉其中的最大值和最小值, 其余三次的值求和后取平均值，把平均值作為CPU用來劃分溫度范圍的有效數據。數據包的解析和封裝都遵循CAN的應用層協議，主程序流程如圖4所示。

　　圖4 主程序流程

　　當CPU檢測到溫度出現異常，會根據溫度異常范圍向上位機發出溫度異常警報，這是該節點CPU唯一主動向上位機發出的數據幀。該節點的溫度相關數據存放在緩沖區，在沒有收到上位機數據請求的時候，該緩沖區的數據會不斷的被新的數據刷新，以保證該節點數據的實時性，中斷流程如圖5所示。

　　圖5 CAN接收中斷流程

　　2 采樣值的量化方法

　　采樣值的準確量化是溫控電路正常工作的關鍵，這里采用以下換算辦法來進行量化。設經過信號調理后的電壓為Ui，則-10VUi10V，已知-10V對應的溫度是-55℃，10V對應的溫度為125℃，易求得比例因數Kt = 0.111V/℃。溫度為0℃時，ΔT= 55℃（相當于-55℃時的變化量）。

　　Ui=-10V+ΔT·Kt=-10V+55℃×0.111V/℃=-3.895V。

　　Ui轉換為數字量后，每個數字量對應電壓值為19.531mV，用Ks表示。可以求得數字量變化和溫度變化之間的對應關系：Kt/Ks =（0.111V/℃）/（19.531mV/數字量）=5.683數字量/℃。

　　其他溫度對應的數字量也可以通過以上方法算出。

　　3 SPI接口通信

　　PIC16F87x通過SPI接口和MCP2510進行數據交換。

　　MCP2510 設計可與許多微控制器的串行外設接口（SPI）直接相連。外部數據和命令通過SI引腳傳送到器件中，而數據在SCK時鐘信號的上升沿傳送進去。

　　MCP2510在SCK下降沿通過SO 引腳發送表1列出了所有操作的指令字節。

　　以PIC16F87x向MCP2510發送讀指令為例，來說明SPI接口通信過程。

　　在讀操作開始時，CS 引腳將被置為低電平。隨后讀指令和8位地址碼(A7～A0)將被依次送入MCP2510。在接收到讀指令和地址碼之后，MCP2510指定地址寄存器中的數據將被移出通過SO引腳進行發送。每一數據字節移出后，器件內部的地址指針將自動加一以指向下一地址。因此可以對下一個連續地址寄存器進行讀操作。通過該方法可以順序讀取任意一個連續地址寄存器中的數據。通過拉高 CS 引腳電平可以結束讀操作，如圖6所示。

　　圖6 SPI 接口通信時序

　　結束語

　　基于LM35開發的溫控節點工作穩定性強、可靠性高、且具有體積小、靈敏度高、響應時間短、抗干擾能力強等特點。該節點成本低廉，器件均為常規元件，有較高的工程價值。本節點擁有CAN接口，既可以作為一個獨立的檢測系統，也可以作為分布式測試系統的一個關鍵部分。CAN的上層協議都可以在軟件中實現，使得本節點接口靈活，不受上層協議的限制。