王冬良

（三江學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

0 引言

轉(zhuǎn)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(dān)著為汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP）、汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electronic Power Steering，EPS）等提供方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)的重要任務(wù)，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(gè)重要的問題。隨著車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在汽車上應(yīng)用的不斷深入，汽車CAN總線技術(shù)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(qiáng)大的功能和生命力，已經(jīng)成為公認(rèn)的最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一?；贑AN總線的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器電路采集系統(tǒng)，因?yàn)槠渚_、穩(wěn)定的特性，正逐步占領(lǐng)著市場(chǎng)，這也讓ESP、EPS等一批先進(jìn)技術(shù)成為未來汽車發(fā)展的主流技術(shù)。

1 CAN總線技術(shù)特點(diǎn)

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(yīng)用廣泛，可以分為以下3個(gè)專門的系統(tǒng)：

（1）動(dòng)力CAN總線，其數(shù)據(jù)傳輸速度最高，達(dá)到500 kb/s，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、ESP等汽車動(dòng)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(diào)系統(tǒng)、車窗門鎖系統(tǒng)、座椅調(diào)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(dǎo)航、音響等系統(tǒng)。

從CAN總線的原理和實(shí)現(xiàn)的角度進(jìn)行分析，只要有兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和一條將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接成一體的數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線（例如雙絞線）就能構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的CAN總線系統(tǒng)，而這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息通信一般通過數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線進(jìn)行。具體的CAN總線系統(tǒng)一般由傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以及其他的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（如人機(jī)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(bào)文，而報(bào)文是以幀為單位傳送的，每幀數(shù)據(jù)是由一組二進(jìn)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(yuǎn)程幀、錯(cuò)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(bào)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(gè)顯位（0）構(gòu)成。所有的站都必須與最先發(fā)送的幀起始前沿進(jìn)行同步。幀起始在控制芯片內(nèi)完成。

②仲裁場(chǎng)

仲裁場(chǎng)由遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 （RTR）和11位標(biāo)識(shí)符（ID28～I(xiàn)D18）構(gòu)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(gè)控制單元同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則控制單元就要進(jìn)行仲裁，即具有最高優(yōu)先權(quán)的數(shù)據(jù)首先發(fā)送，標(biāo)識(shí)符二進(jìn)制數(shù)的值越小，數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)就越高。

③控制場(chǎng)

控制場(chǎng)由6位組成，其中4位是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼（DLC3～DLC0），數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼代表數(shù)據(jù)場(chǎng)的字節(jié)數(shù)，最大為8，允許的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0～8 B。另外兩位是擴(kuò)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(chǎng)

數(shù)據(jù)場(chǎng)有0～8 B，8 bit/B，一般數(shù)據(jù)場(chǎng)最大為64 bit，對(duì)于復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可以用2個(gè)或者多個(gè)字節(jié)來表示，但最多不能超過8 B。

⑤CRC場(chǎng)

CRC場(chǎng)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(gè)隱性位。

（2）遠(yuǎn)程幀

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

（3）錯(cuò)誤幀

當(dāng)總線發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，電控單元就會(huì)立即發(fā)布錯(cuò)誤幀。錯(cuò)誤幀可以檢測(cè)所發(fā)送的數(shù)據(jù)是否發(fā)生錯(cuò)誤。錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的場(chǎng)組成，一個(gè)是各個(gè)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤標(biāo)志的疊加，另一個(gè)則是錯(cuò)誤界定符，如圖2所示。

圖2 錯(cuò)誤幀組成

①錯(cuò)誤標(biāo)志

錯(cuò)誤標(biāo)志分為兩種，6個(gè)連續(xù)的顯性位為主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，6個(gè)連續(xù)的隱性位為被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)檢測(cè)到錯(cuò)誤條件是“錯(cuò)誤主動(dòng)”時(shí)，控制單元就會(huì)發(fā)出6個(gè)顯性位的主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志進(jìn)行識(shí)別；當(dāng)檢測(cè)到“錯(cuò)誤被動(dòng)”時(shí)，則發(fā)出6個(gè)隱性位的被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志進(jìn)行識(shí)別。

②錯(cuò)誤界定

錯(cuò)誤界定有8個(gè)隱性位，當(dāng)站發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志后，它發(fā)送1個(gè)隱性位，并且時(shí)刻監(jiān)視總線，直到檢測(cè)到隱性位，然后開始發(fā)送其他7個(gè)隱性位。

（4）過載幀

過載幀包括過載標(biāo)志和過載界定符。當(dāng)接收器要求推遲發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀（遠(yuǎn)程幀），或者在間歇場(chǎng)（幀間空間）的第一或者第二位檢測(cè)到非法顯性位時(shí)，就會(huì)發(fā)送過載幀。

（5）幀間空間

幀間空間如圖3所示，對(duì)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(cuò)誤幀之間沒有幀間空間，多個(gè)幀間也沒有幀間空間。總線空閑周期可以是任意的，此時(shí)，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(zhuǎn)向角傳感器原理基礎(chǔ)

本設(shè)計(jì)使用的方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器是基于磁阻效應(yīng)與巨磁效應(yīng)。一般情況下，具有磁性的金屬或者合金都具有磁電阻效應(yīng)，即在磁場(chǎng)變化的情況下，金屬的電阻也會(huì)發(fā)生變化。而巨磁電阻是指在一磁場(chǎng)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(yīng)目前的應(yīng)用非常廣泛，在一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家尤其如此，例如美國(guó)IBM公司利用巨磁效應(yīng)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(shè)計(jì)所用的檢測(cè)芯片TLE5012就是基于巨磁效應(yīng)而開發(fā)出來的，在汽車上的應(yīng)用也將越來越廣泛。

3 芯片TLE5012結(jié)構(gòu)分析

TLE5012芯片是英飛凌公司在2010年推出的產(chǎn)品，是一個(gè)基于巨磁原理生產(chǎn)出來的芯片。此芯片可以測(cè)量磁場(chǎng)在360°以內(nèi)的方向盤轉(zhuǎn)角。TLE5012內(nèi)部集成了2個(gè)惠斯頓電橋，每個(gè)電橋上有4個(gè)巨磁電阻；還包括2個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、濾波器、1個(gè)溫度傳感器以及其他監(jiān)測(cè)電路等。內(nèi)部電路分為模擬電路（包括惠斯頓電橋、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、檢測(cè)開關(guān)、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(jī)、計(jì)數(shù)器、SSC接口等），可在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，便于將信號(hào)直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理[2]。

3.1 TLE5012芯片角度測(cè)量原理

兩個(gè)電橋起著重要作用，一個(gè)電橋的輸出量隨著磁場(chǎng)與芯片X方向的夾角θx的變化而變化 （稱作X橋），而另一個(gè)電橋的輸出量隨著磁場(chǎng)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(cè)量原理圖

由圖4可知，X橋與Y橋的輸出量與磁場(chǎng)的角度變化有關(guān)，當(dāng)磁場(chǎng)方向與芯片X橋方向的夾角為φ時(shí)，X橋的最終輸出信號(hào)為：

當(dāng)磁場(chǎng)方向與芯片Y橋方向的夾角為φ時(shí)，Y橋的最終輸出信號(hào)為：

其中，Am為輸出信號(hào)的幅值，φ為磁場(chǎng)與芯片X方向的夾角。

3.2 傳感器結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)角測(cè)量方案設(shè)計(jì)

（1）傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5所示為設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)向角傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。A齒輪與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主軸剛性連接在一起，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)A齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)B、C齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 轉(zhuǎn)向角傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

從動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)，兩塊永磁體的上方固定兩個(gè)不動(dòng)的TLE5012芯片。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，TLE5012芯片就能準(zhǔn)確檢測(cè)到兩個(gè)從動(dòng)齒輪所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

（2）方向盤轉(zhuǎn)角測(cè)量方案設(shè)計(jì)

一般汽車方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍約為4圈，即±720°左右，但TLE5012芯片測(cè)量的轉(zhuǎn)角范圍在0°～360°，所以必須使芯片的測(cè)量角度與方向盤轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)起來。

圖5中，假設(shè)主軸大齒輪A的齒數(shù)為Za，兩個(gè)從動(dòng)小齒輪B和C的齒數(shù)分別為Zb和Zc，且Za＞Zb＞Zc。 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于從動(dòng)齒輪B和C的齒數(shù)不相同，因此它們轉(zhuǎn)過的角度也不同。設(shè)A齒輪轉(zhuǎn)過n周，那么B齒輪轉(zhuǎn)過（Za×n÷Zb）×360°，C齒輪轉(zhuǎn)過（Za×n÷Zc）×360°。 因?yàn)樾酒臏y(cè)量角度要與方向盤轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng)，故有：

整理得：

因?yàn)榉较虮P轉(zhuǎn)過4圈，故設(shè)n=4，為了研究齒輪之間的關(guān)系，假設(shè)Za=60，Zb=34，Zc=30，驗(yàn)證式（4）是否符合實(shí)際工況。當(dāng)齒輪A轉(zhuǎn)過4圈時(shí)，B齒輪轉(zhuǎn)過2 541°，C齒輪轉(zhuǎn)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(cè)量角度與方向盤轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng)，但如果C齒輪超過B齒輪360°，則不能一一對(duì)應(yīng)。所以，在選擇齒輪時(shí)，要注意齒數(shù)的要求，并且注意裝配零位的校準(zhǔn)。

4 采集電路設(shè)計(jì)

4.1 總體電路設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)的電路框圖如圖6所示，主要由電源模塊、測(cè)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(zhuǎn)向角傳感器電路框圖

4.2 電路硬件的選擇

（1）單片機(jī)的選擇

單片機(jī)又叫微控制器，是整個(gè)電路的核心元件，它負(fù)責(zé)處理來自TLE5012的16位轉(zhuǎn)角信號(hào)并傳送出去。因?yàn)槭翘幚磙D(zhuǎn)角信號(hào)，所以對(duì)單片機(jī)的處理速度要求不高，但對(duì)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(nèi)核的芯片，該芯片具有造價(jià)低、穩(wěn)定性及功能強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，其指令系統(tǒng)完全兼容傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)，但處理速度更快，接口資源非常豐富，包括4個(gè)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(yīng)的霍爾傳感器和基于光電效應(yīng)的光電傳感器等，而本設(shè)計(jì)采用基于巨磁原理的傳感器芯片TLE5012，其內(nèi)置了單片機(jī)內(nèi)核，SPI接口可以直接輸出角度信號(hào)，還支持PWM、HS霍爾開關(guān)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(chǎng)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(shè)計(jì)

（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(shè)計(jì)中的芯片（如單片機(jī)、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(zhuǎn)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(cè)量電路

將89C51單片機(jī)與TLE5012芯片所對(duì)應(yīng)的SSC片選信號(hào)線的引腳相連，具體測(cè)量電路如圖8所示。

（3）CAN控制電路

單片機(jī)89C51可以實(shí)現(xiàn)CAN控制器SJA1000的初始化，從而控制SJA1000來實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)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(dāng)P2.0輸出為0時(shí)，89C51外存儲(chǔ)器地址選中SJA1000，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)了CAN總線電路上節(jié)點(diǎn)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(gè)電源應(yīng)該獨(dú)立隔離，否則光電耦合電路就失去了應(yīng)有的作用。

82C250 與CAN總線相連時(shí)，CAN-H與CAN-L分別連接了一個(gè)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(gè)30 pF的電容，用來防止電路上產(chǎn)生高頻干擾。而兩個(gè)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(jié)論

通過本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向角傳感器采集電路可以采集方向盤的轉(zhuǎn)角信號(hào)，并通過CAN總線與汽車ESP、ESP等電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)共享轉(zhuǎn)角信號(hào)，為今后汽車底盤主動(dòng)安全系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)提供了一定的基礎(chǔ)研究。

[1]李寅.ESP用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器的研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2012.

[2]李浩，徐衍亮.電動(dòng)汽車方向盤絕對(duì)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(rùn)東，潘盛輝，韓峻峰，等.方向盤轉(zhuǎn)向角傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：116-118.