基于CAN總線的轉向角傳感器采集電路設計

王冬良

（三江學院 機械工程學院，江蘇 南京 210012）

0 引言

轉向角傳感器是汽車眾多傳感器中最重要的傳感器之一，它承擔著為汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP）、汽車電動轉向系統(tǒng)（Electronic Power Steering，EPS）等提供方向盤轉角信號的重要任務，其穩(wěn)定性與精確性直接影響行車安全，而如何提高其穩(wěn)定性與精確性成為一個重要的問題。隨著車載網(wǎng)絡系統(tǒng)在汽車上應用的不斷深入，汽車CAN總線技術不僅減少了汽車上繁雜的線束與接插件，也使得信息傳輸與共享變得容易。CAN以其強大的功能和生命力，已經成為公認的最有前途的現(xiàn)場總線之一?；贑AN總線的方向盤轉角傳感器電路采集系統(tǒng)，因為其精確、穩(wěn)定的特性，正逐步占領著市場，這也讓ESP、EPS等一批先進技術成為未來汽車發(fā)展的主流技術。

1 CAN總線技術特點

1.1 CAN總線原理介紹

CAN總線是一種串行通信協(xié)議，在汽車上應用廣泛，可以分為以下3個專門的系統(tǒng)：

（1）動力CAN總線，其數(shù)據(jù)傳輸速度最高，達到500 kb/s，主要用于發(fā)動機、變速器、ESP等汽車動力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）舒適CAN總線，其數(shù)據(jù)傳輸速度較低，為100 kb/s，主要用于汽車空調系統(tǒng)、車窗門鎖系統(tǒng)、座椅調節(jié)系統(tǒng)等。

（3）信息CAN總線，其速度也較低，為100 kb/s，主要用于導航、音響等系統(tǒng)。

從CAN總線的原理和實現(xiàn)的角度進行分析，只要有兩個CAN節(jié)點和一條將各個節(jié)點連接成一體的數(shù)據(jù)傳輸導線（例如雙絞線）就能構成一個簡單的CAN總線系統(tǒng)，而這兩個節(jié)點之間的信息通信一般通過數(shù)據(jù)傳輸導線進行。具體的CAN總線系統(tǒng)一般由傳感器節(jié)點、控制器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點以及其他的監(jiān)控節(jié)點（如人機界面）組成。

1.2 CAN數(shù)據(jù)傳遞方式

CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常稱作報文，而報文是以幀為單位傳送的，每幀數(shù)據(jù)是由一組二進制數(shù)據(jù)組成的。CAN總線的幀類型有四種，分別是數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。

（1）數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀的主要作用是將報文從發(fā)送器傳送到接收器，數(shù)據(jù)幀的組成如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)幀的組成

①幀起始

幀起始是數(shù)據(jù)幀的開始，僅由一個顯位（0）構成。所有的站都必須與最先發(fā)送的幀起始前沿進行同步。幀起始在控制芯片內完成。

②仲裁場

仲裁場由遠程發(fā)送請求位 （RTR）和11位標識符（ID28～ID18）構成，但是ID高7位不能全部為隱性（1）。如果總線處于空閑狀態(tài)，則所有的控制單元都可以向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，但是如果多個控制單元同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則控制單元就要進行仲裁，即具有最高優(yōu)先權的數(shù)據(jù)首先發(fā)送，標識符二進制數(shù)的值越小，數(shù)據(jù)的優(yōu)先權就越高。

③控制場

控制場由6位組成，其中4位是數(shù)據(jù)長度碼（DLC3～DLC0），數(shù)據(jù)長度碼代表數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)，最大為8，允許的數(shù)據(jù)長度為0～8 B。另外兩位是擴展用的保留位，發(fā)送的保留位必須為0（顯性）。

④數(shù)據(jù)場

數(shù)據(jù)場有0～8 B，8 bit/B，一般數(shù)據(jù)場最大為64 bit，對于復雜的數(shù)據(jù)，可以用2個或者多個字節(jié)來表示，但最多不能超過8 B。

⑤CRC場

CRC場由15 bit CRC序列以及1 bit CRC界定符組成，其中CRC序列后的CRC界定符必須是單個隱性位。

（2）遠程幀

遠程幀的遠程發(fā)送請求位與數(shù)據(jù)幀相反，為1（隱性），遠程幀沒有數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度代碼可以為0～8中的任意數(shù)。

（3）錯誤幀

當總線發(fā)生錯誤時，電控單元就會立即發(fā)布錯誤幀。錯誤幀可以檢測所發(fā)送的數(shù)據(jù)是否發(fā)生錯誤。錯誤幀由兩個不同的場組成，一個是各個節(jié)點錯誤標志的疊加，另一個則是錯誤界定符，如圖2所示。

圖2 錯誤幀組成

①錯誤標志

錯誤標志分為兩種，6個連續(xù)的顯性位為主動錯誤標志，6個連續(xù)的隱性位為被動錯誤標志。當檢測到錯誤條件是“錯誤主動”時，控制單元就會發(fā)出6個顯性位的主動錯誤標志進行識別；當檢測到“錯誤被動”時，則發(fā)出6個隱性位的被動錯誤標志進行識別。

②錯誤界定

錯誤界定有8個隱性位，當站發(fā)送錯誤標志后，它發(fā)送1個隱性位，并且時刻監(jiān)視總線，直到檢測到隱性位，然后開始發(fā)送其他7個隱性位。

（4）過載幀

過載幀包括過載標志和過載界定符。當接收器要求推遲發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀（遠程幀），或者在間歇場（幀間空間）的第一或者第二位檢測到非法顯性位時，就會發(fā)送過載幀。

（5）幀間空間

幀間空間如圖3所示，對于數(shù)據(jù)幀或者過載幀，兩幀之間都用幀間空間來間隔開，但過載幀與錯誤幀之間沒有幀間空間，多個幀間也沒有幀間空間?？偩€空閑周期可以是任意的，此時，總線處于開放狀態(tài)，可以任意發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 幀間空間組成

2 轉向角傳感器原理基礎

本設計使用的方向盤轉向角傳感器是基于磁阻效應與巨磁效應。一般情況下，具有磁性的金屬或者合金都具有磁電阻效應，即在磁場變化的情況下，金屬的電阻也會發(fā)生變化。而巨磁電阻是指在一磁場下金屬的電阻值快速下降，下降幅值可能為磁電阻10倍或以上[1]。

巨磁效應目前的應用非常廣泛，在一些歐美發(fā)達國家尤其如此，例如美國IBM公司利用巨磁效應最新研制出了電腦的讀出磁頭，這在很大程度上提高了磁頭的讀出精度。本設計所用的檢測芯片TLE5012就是基于巨磁效應而開發(fā)出來的，在汽車上的應用也將越來越廣泛。

3 芯片TLE5012結構分析

TLE5012芯片是英飛凌公司在2010年推出的產品，是一個基于巨磁原理生產出來的芯片。此芯片可以測量磁場在360°以內的方向盤轉角。TLE5012內部集成了2個惠斯頓電橋，每個電橋上有4個巨磁電阻；還包括2個A/D轉換器、濾波器、1個溫度傳感器以及其他監(jiān)測電路等。內部電路分為模擬電路（包括惠斯頓電橋、模數(shù)轉換器、檢測開關、比較器等）和數(shù)字電路（包括鎖相環(huán)、濾波器、有限狀態(tài)機、計數(shù)器、SSC接口等），可在芯片內部實現(xiàn)模數(shù)轉換，便于將信號直接送到單片機進行處理[2]。

3.1 TLE5012芯片角度測量原理

兩個電橋起著重要作用，一個電橋的輸出量隨著磁場與芯片X方向的夾角θx的變化而變化 （稱作X橋），而另一個電橋的輸出量隨著磁場與芯片Y方向的夾角θy的變化而變化（稱作Y橋）[3]，如圖4所示。

圖4 TLE5012芯片測量原理圖

由圖4可知，X橋與Y橋的輸出量與磁場的角度變化有關，當磁場方向與芯片X橋方向的夾角為φ時，X橋的最終輸出信號為：

當磁場方向與芯片Y橋方向的夾角為φ時，Y橋的最終輸出信號為：

其中，Am為輸出信號的幅值，φ為磁場與芯片X方向的夾角。

3.2 傳感器結構與轉角測量方案設計

（1）傳感器結構設計

圖5所示為設計后的轉向角傳感器的結構原理圖。A齒輪與轉向系統(tǒng)主軸剛性連接在一起，主軸轉動，帶動A齒輪轉動，從而帶動B、C齒輪轉動。

圖5 轉向角傳感器結構原理圖

從動齒輪B、C上分別固定一塊相同的永磁體，磁體隨著齒輪一起轉動，兩塊永磁體的上方固定兩個不動的TLE5012芯片。當主軸轉動時，TLE5012芯片就能準確檢測到兩個從動齒輪所轉動的角度。

（2）方向盤轉角測量方案設計

一般汽車方向盤的轉動范圍約為4圈，即±720°左右，但TLE5012芯片測量的轉角范圍在0°～360°，所以必須使芯片的測量角度與方向盤轉角對應起來。

圖5中，假設主軸大齒輪A的齒數(shù)為Za，兩個從動小齒輪B和C的齒數(shù)分別為Zb和Zc，且Za＞Zb＞Zc。 當主軸轉動時，由于從動齒輪B和C的齒數(shù)不相同，因此它們轉過的角度也不同。設A齒輪轉過n周，那么B齒輪轉過（Za×n÷Zb）×360°，C齒輪轉過（Za×n÷Zc）×360°。 因為芯片的測量角度要與方向盤轉角一一對應，故有：

整理得：

因為方向盤轉過4圈，故設n=4，為了研究齒輪之間的關系，假設Za=60，Zb=34，Zc=30，驗證式（4）是否符合實際工況。當齒輪A轉過4圈時，B齒輪轉過2 541°，C齒輪轉過2 880°，C齒輪超過B齒輪339°，并沒有超過360°，這樣能保證芯片的測量角度與方向盤轉角一一對應，但如果C齒輪超過B齒輪360°，則不能一一對應。所以，在選擇齒輪時，要注意齒數(shù)的要求，并且注意裝配零位的校準。

4 采集電路設計

4.1 總體電路設計

總體設計的電路框圖如圖6所示，主要由電源模塊、測量模塊、控制模塊以及防干擾電路（光電耦合電路）模塊組成。

圖6 轉向角傳感器電路框圖

4.2 電路硬件的選擇

（1）單片機的選擇

單片機又叫微控制器，是整個電路的核心元件，它負責處理來自TLE5012的16位轉角信號并傳送出去。因為是處理轉角信號，所以對單片機的處理速度要求不高，但對處理的精度以及分辨率有一定的要求。

基于上述要求，選擇89C51內核的芯片，該芯片具有造價低、穩(wěn)定性及功能強、使用壽命長的優(yōu)點，其指令系統(tǒng)完全兼容傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)，但處理速度更快，接口資源非常豐富，包括4個8位I/O數(shù)據(jù)接口，適用5 V電壓等。

（2）角度傳感器的選擇

目前，常見的角度傳感器有很多，有基于霍爾效應的霍爾傳感器和基于光電效應的光電傳感器等，而本設計采用基于巨磁原理的傳感器芯片TLE5012，其內置了單片機內核，SPI接口可以直接輸出角度信號，還支持PWM、HS霍爾開關以及IIF增量接口的數(shù)據(jù)傳輸，這樣TLE5012可以直接讀出磁場的角度位置，從而避免了參數(shù)校正，使用起來較為方便。

4.3 分塊電路設計

（1）電源電路

汽車的電路一般由蓄電池供電，汽車蓄電池的電壓一般為12 V左右，而本設計中的芯片（如單片機、TLE5012等）都需要5 V的電壓，因此需要變壓。7805穩(wěn)壓芯片能把12 V電壓轉化為5 V，電容C1、C2起到濾波的作用，具體電路如圖7所示。

圖7 7805硬件電路圖

（2）測量電路

將89C51單片機與TLE5012芯片所對應的SSC片選信號線的引腳相連，具體測量電路如圖8所示。

（3）CAN控制電路

單片機89C51可以實現(xiàn)CAN控制器SJA1000的初始化，從而控制SJA1000來實現(xiàn)對報文的收發(fā)。

SJA1000的AD接口分別與89C51的P0口相連，CS與89C51的P2.0相連，當P2.0輸出為0時，89C51外存儲器地址選中SJA1000，從而實現(xiàn)對SJA1000讀寫的控制。電路連接如圖9所示。

圖9 CAN控制電路

（4）光電耦合電路

汽車電路的外界干擾較多，為了增強CAN總線系統(tǒng)抗外界干擾的能力，SJA1000的TX0與RX0接口通過高速光電耦合器與82C250連接，從而實現(xiàn)了CAN總線電路上節(jié)點之間的電器隔離，保證了電路的穩(wěn)定性。但是光電耦合電路所采用的兩個電源應該獨立隔離，否則光電耦合電路就失去了應有的作用。

82C250 與CAN總線相連時，CAN-H與CAN-L分別連接了一個5 Ω的電阻，其作用是限流，避免80C250受到過大電流的沖擊而傷害元器件。此外CAN-H、CAN-L與地之間還連接了兩個30 pF的電容，用來防止電路上產生高頻干擾。而兩個防雷擊管的放電可以防止輸入端與地之間出現(xiàn)的瞬變干擾。光電耦合電路具體電路圖如圖10所示。

圖10 光耦電路

5 結論

通過本文設計的轉向角傳感器采集電路可以采集方向盤的轉角信號，并通過CAN總線與汽車ESP、ESP等電控系統(tǒng)實現(xiàn)共享轉角信號，為今后汽車底盤主動安全系統(tǒng)一體化設計提供了一定的基礎研究。

[1]李寅.ESP用轉矩轉角傳感器的研究[D].重慶：重慶交通大學，2012.

[2]李浩，徐衍亮.電動汽車方向盤絕對角位置傳感器的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（3）：32-34，39.

[3]何潤東，潘盛輝，韓峻峰，等.方向盤轉向角傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（19）：116-118.