程控可调电阻单元系统设计

2023-12-08贾晓亮赖震苏亮

电子制作 2023年22期

贾晓亮，赖震，苏亮

（1.中信机电制造公司监管临汾室，山西侯马，043000；2.中信机电制造公司科研设计院，山西侯马，043000）

0 引言

传感器是一种能够检测被测信息并通过人工配置将其转换为电信号或其他形式的信号以适应信息传输和处理操作的部件。本文介绍了一种紧凑型程控可调电阻单元，用于模拟电阻型传感器，可以快速输出电阻值并同步调节电阻值，具有调节范围大、操作简单、可靠性高、执行效率高等优点。

1 硬件电路设计

硬件电路以MCU 为核心，以CAN 总线作为通讯介质，与外部控制单元进行协同控制。硬件系统主要由四部分构成：供电单元电路、CAN 通信单元电路、继电器阵列单元、MCU 控制单元。系统原理图如图1 所示。

图1 系统原理图

供电单元电路采用DC4.5～40V 宽输入范围DC-DC 变换器，实际外部供电电源可选择12V 或24V 标准供电电源。DC-DC 变换器将外部供电变换为5.0V 电源，供给MCU 系统和其他电路使用。供电单元电路原理如图2 所示。

图2 供电单元电路原理图

CAN 通信单元使用TJA1050 高速CAN 总线物理层接口芯片，该芯片可以工作在5V 电源系统内，具备全速1Mbps的通信速率，支持 ISO11898 CAN 总线通信协议，兼容各型车辆、交通系统的CAN 总线网络，是一款可靠性较高的CAN 总线物理层接口芯片。本设计中使用TJA1050 作为CAN 总线物理层接口，采用1Mbps 通信速率。CAN 通信电路原理如图3 所示。

图3 CAN 总线通信电路

继电器阵列单元是控制电阻阻值的核心部分。该单元主要包含3 部分电路：继电器驱动、继电器阵列、精密电阻。

继电器驱动电路使用了专用继电器驱动集成电路芯片MAX4820EUP+T。MAX4820EUP+T 芯片供电兼容3.3V 和5.0V 系统，配备8 通道继电器驱动电路，单路驱动输出电流70mA，内部集成续流二极管，支持三线SPI（串行外设接口Serial Peripheral Interface)通信，可以极大减少PCB布线走线问题。MAX4820EUP+T 逻辑框图如图4 所示。

图4 MAX4820EUP+T逻辑框图

由于驱动继电器较多，本设计充分利用MAX4820EUP+T的SPI 通信，采用多个芯片级联方式控制多个继电器，进而达到控制继电器阵列的目的。本系统设计了3 通道电阻，继电器驱动控制电路如图5 所示，MAX4820EUP+T 与继电器可以直接连接，电路如图6 所示。

图5 MAX4820EUP+T级联电路

图6 MAX4820EUP+T与继电器连接

继电器阵列部分可以实现继电器导通与断开控制，从而使得不同继电阻组合，最终得到需要的电阻值。双通道继电器阵列电路原理如图7 所示。

图7 三通道继电器阵列

精密电阻控制原理如图6 所示。以继电器K1 为例，继同时继电器具备3000V 的绝缘隔离，可以使控制部分与电阻通道形成有效的电气隔离，提高安全性。

精密电阻选用了精度为1%的金属薄膜电阻，如图7 所示电阻从左至右，在精度允许范围内，电阻值遵循2 的多次幂规律。电阻输出可以实现步进分辨率1Ω，0～8.32MΩ连续可调输出。匹配电阻列表如表1 所示。

表1 精密电阻列表

本设计配备了3 通道电阻，每通道由23 个电阻组合、25 个继电器、1 个保险丝构成。其中23 个继电器用于对精密电阻的切换，另外两个用于电阻通道总线BUSA 和BUSB的切换，即总线BUSA 和BUSB 可以模拟一些特定情况下的故障，输入至电阻通道中。

MCU 控制单元使用意法半导体STM8S208C8 作为电器K1默认状态为衔铁释放，继电器不接通，电阻R15（1Ω）接入电路。当继电器K1 收到RSA1 信号后，继电器线圈通电，继电器内部衔铁吸合，将R15 短路，该单元在电路中体现电阻值为0Ω。从而实现了电阻接入主电路或从主电阻电路中脱离。通过继电器阵列不同的组合，形成不同的电阻组合。主控芯片，MCU 采用5V 供电。MCU 最小系统中还配备了24MHz 晶体振荡器，程序烧录接口，8421 地址识别电路等。MCU 通过CAN 总线接收通讯指令，将指令计算成MAX4820EUP+T 控制信号，然后通过板载SPI 通信将指令传递给MAX4820EUP+T，MAX4820EUP+T 将开关量传递给继电器阵列进行执行。MCU 控制单元电路原理如图8 所示。

图8 MCU 控制单元

此外MCU 控制单元还配备了8421 地址识别电路，用于设定本地板卡地址。设定完成板卡地址后，CAN 总线上可以挂载多个不同类别板卡设备，本地板卡只识别其他控制器发给本地址的指令，而不执行其他地址板卡的指令。这样可以更好地与其他设备系统兼容，也可以实现多种类板卡、多通道共同受控。地址识别原理如图9 所示。

图9 地址识别电路

2 软件技术设计

程控可调电阻单元系统以单片机STM8 为控制核心，使嵌入系统中的控制单片机向相应的硬件芯片发送控制指令，控制继电器的动作，控制多个通道输出需要的阻值；可以控制相关继电器的闭合和断开，模拟开路、短路等故障。

采用CAN 通信协议。控制单片机都有一个一个字节的专有地址标志码，用于上位机识别单片机的身份。该地址标志码由硬件电路确定，并且可根据需要设置为0～9 中任意一个数字。

模拟电池接入12V 直流电压，单片机进入工作状态，电源指示灯常亮，系统开始初始化。系统初始化程序主要包括：系统时钟初始化、看门狗初始化、IO 口初始化、SPI模块初始化、定时器初始化、CAN 模块初始化6 个模块。

系统初始化后，读取板卡ID 值。每个电池模拟器都有唯一身份标志，单片机通过检测相连的端口电平，确认每个电池模拟器的板卡号，这样可以区分上位机发送的指令，同时上位机也能获取特定电池模拟器的信息，有了板卡号，在建立含有多个板卡的系统中，不会出现通信混乱问题。读取板卡ID 值后，输出电阻阻值初始化。

总线BUSA 和BUSB 的连接状态默认为断开，通过控制继电器的开或断进行控制。同时为了提高驱动能力，采用反向达林阵芯片ULN2803 增加输出的驱动能力。当BUSA 和BUSB 连接状态开始初始化，程序中调用enableInterrupts使能总中断，当发生定时器中断或者CAN 接收中断后能进入中断服务程序，处理中断。

当接收到CAN 口发送的数据，便开始命令处理，CAN接收中断命令处理流程图如图10 所示。