基于C8051F045單片機(jī)的輪速測(cè)量電路設(shè)計(jì)

賴文娟，曾 刊，雷雨能

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所 軍品部，四川 綿陽(yáng) 621000)

工程實(shí)踐中輪速測(cè)量普遍采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字測(cè)量方式，本設(shè)計(jì)則由C8051F045 為核心主控芯片，通過(guò)其自帶的CAN 總線接口實(shí)現(xiàn)輪速信號(hào)與上位機(jī)的通信。CAN總線是1 種多主方式的串行通信總線，使用CAN 總線接口通信具有可靠的檢錯(cuò)和錯(cuò)誤處理機(jī)制、較高的位速率及抗電磁干擾能力。本設(shè)計(jì)的這種基于CAN 總線的輪速信號(hào)測(cè)量電路具有工作可靠、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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，因此本設(shè)計(jì)中的輪速傳感器選用磁敏式SDI-H 型磁敏測(cè)速傳感器。選用的SDI-H 型磁敏傳感器具有編碼器功能，頻響寬，穩(wěn)定性好，抗干擾強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，其位置型測(cè)速有保持功能，可從0 轉(zhuǎn)速開(kāi)始，并內(nèi)置放大整形電路，輸出為2 路有相位差的幅度穩(wěn)定的脈沖方波信號(hào)，測(cè)速的同時(shí)還可判定車行方向。

該輪速測(cè)量電路作為無(wú)人車環(huán)境感知分系統(tǒng)的1 個(gè)組成部分，測(cè)量得出的輪速信息可為路徑規(guī)劃中更好地避障及自動(dòng)駕駛控制性能的優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)參數(shù)。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 輪速信號(hào)測(cè)量原理

輪速信號(hào)測(cè)量利用輪速傳感器輸出脈沖頻率和轉(zhuǎn)速成正比的原理設(shè)計(jì)，采用測(cè)頻法進(jìn)行輪速測(cè)量的計(jì)時(shí)。根據(jù)輪速傳感器脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的2 路脈沖信號(hào)的相位差判定車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向，根據(jù)單片機(jī)定時(shí)器檢測(cè)在一定時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)測(cè)量輪速。

1.2 脈沖信號(hào)產(chǎn)生原理

本設(shè)計(jì)采用磁敏式傳感器進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。磁敏式傳感器由磁頭和磁感應(yīng)線圈組成，磁頭固定在磁極支架上，支架固定在長(zhǎng)軸上，磁感應(yīng)線圈通過(guò)輪轂、制動(dòng)轂連為一體，長(zhǎng)軸穿過(guò)車輪與內(nèi)部的軸承配合，輪轂帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。磁頭與磁感應(yīng)線圈的作用距離為0 ～2 mm，磁敏式傳感器的磁感應(yīng)線圈內(nèi)鑲嵌n 個(gè)N/S 極性條形磁鐵，每個(gè)內(nèi)置的N/S 極性條形磁鐵交替與磁頭接近、離開(kāi)，使傳感器輸出信號(hào)端產(chǎn)生周期性開(kāi)關(guān)電平，從而形成脈沖信號(hào)。每當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)1 圈，磁敏式傳感器產(chǎn)生n 個(gè)脈沖，輸出脈沖經(jīng)信號(hào)處理電路送單片機(jī)計(jì)數(shù)后就可計(jì)算得出輪速。

1.3 輪速信號(hào)的檢測(cè)原理

將磁敏式傳感器輸出的方波信號(hào)送至C8051F045 單片機(jī)的外部，用T1 作定時(shí)器，T0 作計(jì)數(shù)器，將中斷INTO 引腳設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式，計(jì)滿100 個(gè)脈沖數(shù)，觸發(fā)中斷，進(jìn)入計(jì)數(shù)服務(wù)中斷程序。單片機(jī)對(duì)脈沖方波信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)量，經(jīng)計(jì)算得到輪速。

考慮到車行方向?yàn)殡p向，車輪既可順時(shí)針也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，單片機(jī)需對(duì)車輪轉(zhuǎn)向輸出的2 路脈沖方波信號(hào)A 和B 鑒向后才能計(jì)數(shù)。若車輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，SDI-H 型磁敏測(cè)速傳感器輸出的脈沖方波信號(hào)A 超前B 相位90°;則反之，若車輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，SDI-H 型磁敏測(cè)速傳感器輸出的脈沖方波信號(hào)A 將滯后B 相位90°。此鑒向通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)總體方案

如圖1 所示，輪速測(cè)量電路系統(tǒng)主要由輪速傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、CAN 收發(fā)器和上位機(jī)組成。

圖1 輪速測(cè)量電路系統(tǒng)總體框圖

輪速測(cè)量電路系統(tǒng)工作流程為:輪速傳感器輸出的2 路有相位差的信號(hào)CG00_12V、CG01_12V 經(jīng)信號(hào)處理電路光電隔離、限幅降壓、反向后形成2 路脈沖方波信號(hào)CG00_3.3V和CG01_3.3V，送單片機(jī)C8051F045 的P0.0、P0.1。輪速信號(hào)的檢測(cè)通過(guò)將輪速傳感器輸出的2 路脈沖方波信號(hào)送至單片機(jī)的外部中斷引腳，將其設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式，用單片機(jī)定時(shí)器對(duì)脈沖方波信號(hào)進(jìn)行周期測(cè)量計(jì)數(shù)，得到輪速，通過(guò)CAN 總線接口送至 CAN 收發(fā)器。CAN 收發(fā)器SN65HVD230 與單片機(jī)CAN 總線接口組成控制接口電路，通過(guò)CAN 收發(fā)器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)輸出到CAN 總線上，輪速數(shù)值通過(guò)總線接口電路發(fā)送至上位機(jī)。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)主控芯片電路

C8051F045 單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有64 個(gè)數(shù)字I/O 引腳，片內(nèi)集成了1 個(gè)CAN2.0B控制器，具有片內(nèi)VDD 監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。C8051F045 單片機(jī)屬于51 系列單片機(jī)，其基本控制電路有復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)控制電路/RST 引腳采用上電復(fù)位，時(shí)鐘電路采用22.1184M 晶振Y1。單片機(jī)測(cè)量輪速時(shí)，單片機(jī)對(duì)由I/O引腳P0.0 和P0.1 輸入的2 路脈沖方波信號(hào)鑒向后再計(jì)算，此鑒向通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。由單片機(jī)編程計(jì)算得出的輪速值通過(guò)CANTX 發(fā)送至CAN 收發(fā)器信號(hào)輸入端，由CAN收發(fā)器通過(guò)CAN 總線發(fā)送至上位機(jī)。單片機(jī)控制電路如圖2 所示。

3.2 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路部分是整個(gè)測(cè)速系統(tǒng)的核心，信號(hào)處理電路將輪速傳感器產(chǎn)生的2 路脈沖信號(hào)通過(guò)限幅降壓和反相器調(diào)整成1 個(gè)可滿足單片機(jī)輸入脈沖的脈沖方波信號(hào)。由于SDI-H 型磁敏測(cè)速傳感器輸出的2 路脈沖信號(hào)CG00_12V 和CG01_12V 高電平在電源電壓11 ～12 V，低電平在0 V 左右，故該脈沖信號(hào)的電壓值不符合C8051F045 單片機(jī)接口要求，需利用TLP521 -1 限幅降壓隔離整形電路處理電壓信號(hào)，并通過(guò)74HC04 反相器將TLP521 -1 處理后的2 路降壓信號(hào)CG00_3.3V 和CG01_3.3V 反向，其脈沖信號(hào)輸出電壓高電平約為3.3 V，這樣經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理后產(chǎn)生的2 路脈沖方波即可通過(guò)I/O 引腳P0.0 和P0.1 送至單片機(jī)計(jì)算。信號(hào)處理電路如圖3 所示。

3.3 CAN 收發(fā)器電路

如圖4 所示，將單片機(jī)CANTX 發(fā)送的輪速數(shù)值經(jīng)LT712光電隔離后送至CAN 收發(fā)器SN65HVD230，將輪速數(shù)值轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)CAN+和CAN -輸出到CAN 總線，由此輪速值通過(guò)CAN 總線接口發(fā)送至上位機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)電路以自帶CAN 總線接口的單片機(jī)C8051F045 為核心主控芯片，選用可鑒相的輸出為2 路脈沖方波信號(hào)的磁敏式傳感器SDI -H，將產(chǎn)生的2 路脈沖方波信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路光電隔離、限幅降壓反向后送單片機(jī)計(jì)數(shù)，通過(guò)單片機(jī)CAN 總線接口經(jīng)CAN 收發(fā)器SN65HVD230 將輪速信息發(fā)送至上位機(jī)顯示。實(shí)際應(yīng)用證明，本設(shè)計(jì)具有良好的測(cè)速穩(wěn)定性，可在不增加硬件開(kāi)支的前提下有效提高低速時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確性，在輪速測(cè)量上有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 單片機(jī)控制電路

圖3 信號(hào)處理電路

圖4 CAN 收發(fā)器電路

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