张雨蒙 翁惠辉 舒福舟

摘 要：本文基于STM32单片机设计一种由CAN总线进行传输的，针对汽车发动机和变速箱测控系统的硬件电路，整个系统主要包括四类信号调理模块电路，它们分别是基于压力和液位的信号采集调理电路，基于温度信号采集调理电路， 基于转速的内部定时器/计数器电路，并对此展开探讨和研究。

关键词： STM32单片机;CAN总线;调理电路;测控系统

0 引言

人们对汽车性能的需求中最为注重的是其动力性能，保证汽车动力性能的主要部件就是发动机，发动机基本上决定了一辆汽车是否具备良好的动力系统性能，因此发动机可以称之为汽车的心脏，要想让发动机具备良好的性能，需要研究开发人员由内到外进行严格把关。我们所面临的首要问题就是怎样精准迅速地获取发动机和变速箱的各项性能参数。这样我们对发动机的检测，使发动机能正常工作才能变得有意义。

1 测控要求

1.1 传感器类型

发动机和变速箱的主要参数有温度、压力、液位、转速，具体检测要求以及传感器选型如下表所示：

1.2 总体方案设计

汽车测控网络现阶段都是基于CAN总线协议的，因此为了方便把该系统挂接到汽车网络上，形成一个测控节点，现需要设计一种基于CAN总线进行传输的发动机数据采集传输系统。采用ST公司的 32位单片机 STM32作为主要部件， 以此设计一套具有 CAN 接口的发动机数据采集传输系统。系统采集发动机的温度、压力等工况信号， 再把采集的信号用信号调理电路转换成标准电压信号，单片机自带的A/D转换功能可以对数据进行A/D转换， 用CAN总线把所有数据传送给PC机， 在PC机上处理数据， 更加方便用户使用。最终，为了方便维护师和自己的调试诊断测试，开发有485串口。

2 硬件电路设计

2.1  模拟信号调理电路设计

2.1.1   4～20mA信号采集调理电路（压力，位置）

模拟量采集端的输入4～20mA电流信号经100 取样电阻R3变为0.4V～2V输入电压;去耦电容C5滤去纹波，避免由于电流的突变而使电压下降;RC低通滤波电路，得到运放AD8629正向输入端的传输函数为

（4-1）

其中，                   ，                    ，                        。输入电压经运算放大器AD8629同向放大2.5倍，AN端输出1～5V电压信号。具体设计电路如图4-6所示：

2.1.2  PT100信号采集调理电路（温度）

温度的检测采用了PT100温度传感器，测量温度范围为-50～150℃，输出为4-20mA电流信号，它的精度和灵敏度及准确度比较高，能够耐腐蚀，由PT100的温度与阻值特性曲线可知，温度和电阻值基本成正比关系。PT100温度检测电路如图4：

图4的电路由三部分组成，分别为转换电路、调零电路和调满电路，分别是运放U1及其外围电路和U3及其外围电路、U2及其外围电路。输出电压Vo的大小随PT100阻值的变化而变化。

2.2  内部定时器/计数器电路（转速）

如果对发动机的综合系统进行测控，其转速是必不可少的一項检测参数。区别于工作形式，大家大体上将转速传感器分为三种：磁电式转速传感器、光电式转速传感器和霍尔转速传感器。本文选择的霍尔传感器为SC12-20K转速传感器，使用的是专用齿轮转速霍尔芯片，它是单片集成的一种真正的零速度数字微分霍尔效应传感器，主要用在汽车和工业产品中。它能够感应要求苛刻的传输和变速箱产品中的速度及精密间距的位置。这种传感器为直接数字接口供给了一个开放集电极输出，SC12-20K转速传感器使用2个高度集成的封装。霍尔传感器的旋转体上有12个齿轮，则有12个脉冲信号。

本文中线路输出所带的负载（load）电路原理图如下（下图只画出了一路转速输入信号，实际有四路转速输入信号）：

2.3  CAN总线接口设计

如今，大家普遍认同CAN总线的高性能和可靠性，并在工业自动化、医疗设备、船舶等各行各业中广泛应用。CAN总线是一种串行数据通信协议，CAN 控制器是根据两根线上的电位差来判断总线电平。

每个CAN系统的全部控制单元并联在CAN数据总线上，CAN数据总线的两条导线各自是CAN-High和CAN-Low线，控制单元之间的数据交换是由这两条导线来运作的，这些数据就是我们所要测控的物理量。

下图7是CAN通信的电路原理图

3 总结

本文提出了一套以32位微处理器---STM32单片机为核心的发动机综合测控系统方案，采集温度、压力、转速等物理量以及通过CAN总线的上传，介绍了各个部分的构成及电路图，完成了数据信号采集调理电路图的设计，介绍说明了位置、压力、温度、转速四个系统主要检测参数，简要分析了相关传感器的工作原理和性能优缺点，最后进行了通信电路的设计。

参考文献：

[1]任宇翔，徐璐.发动机性能试验的概论与分析[J].装备制造技术，2013，8：179-182

[2]殷平.基于虚拟仪器的发动机测控系统研制[D].南京：南京理工大学，2010

作者简介：

张雨蒙 1991.7 男 汉族 湖北荆州 硕士 长江大学电子信息学院  434023 主要研究方向：自动检测与控制。