基于CAN總線通信的程控電阻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊偉東，張?jiān)讫垼?，李 莉，劉權(quán)震，師占群

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.中國汽車技術(shù)研究中心 汽車工程研究院，天津 300300；3.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641）

在新車型開發(fā)階段，車載ECU在臺(tái)架上進(jìn)行測試是十分必要的步驟．臺(tái)架測試需要模擬ECU的信號輸入，其中電阻信號的模擬條件較為苛刻，不僅需要有大范圍高精度的電阻輸入，而且要求操作準(zhǔn)確、方便靈活[1]．在汽車電子電器自動(dòng)化測試過程中，更是要求電阻的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制兼容汽車通訊網(wǎng)絡(luò)．NI公司的程控電阻板卡雖然能達(dá)到很高的精度，但受其輸出的電阻范圍的限制，很難滿足汽車電子電器測試的要求，其他形式的程控電阻設(shè)計(jì)在漸變性及與汽車網(wǎng)絡(luò)的兼容性方面也都難以滿足汽車測試的要求．這就迫切需要一種能兼容汽車總線，能進(jìn)行大范圍高精度阻值輸出以及漸變特性滿足汽車電子電器測試要求程控電阻系統(tǒng)[2]．本文介紹了一種基于CAN總線通訊的程控電阻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以滿足汽車電子電器自動(dòng)化測試的要求．

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于CAN總線通訊的程控電阻系統(tǒng)與汽車CAN總線完全兼容，是汽車電子電器自動(dòng)化測試中不可或缺的部分．該系統(tǒng)為主要由四部分組成：供電電路部分，CAN數(shù)據(jù)收發(fā)電路部分，單片機(jī)控制部分，電阻輸出部分[3]．系統(tǒng)原理圖如圖1所示．

該系統(tǒng)由外部12 V直流穩(wěn)壓電源供電，內(nèi)部電路工作電壓的需求有兩種，分別是12 V的繼電器供電和5 V單片機(jī)控制系統(tǒng)供電．供電系統(tǒng)采用 DC-DC電源模塊LM2596S-5.0實(shí)現(xiàn)12 V到5 V的電壓轉(zhuǎn)換．系統(tǒng)供電電路原理如圖2所示．

數(shù)據(jù)接收電路采用高速低功耗CAN收發(fā)器AMIS-4266，AMIS-4266是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議控制器和物理總線之間的一個(gè)接口，可用于12 V，24 V系統(tǒng)．CAN數(shù)據(jù)收發(fā)電路如圖3所示．

控制電路部分由飛思卡爾12XS128MAL單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成．單片機(jī)接收CAN數(shù)據(jù)緩存中的報(bào)文信號，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)格式換算以及繼電器位計(jì)算，通過I/O口的高低電平輸出，實(shí)現(xiàn)對繼電器組的控制[4]．控制部分電路設(shè)計(jì)如圖4．

由于單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力有限，采用SN74HC540芯片驅(qū)動(dòng)繼電器．驅(qū)動(dòng)電路原理如圖5所示．

電阻輸出共設(shè)4路通道，每通道由20個(gè)不同量值的電阻組成．各通道內(nèi)電阻量值的分組編排參考人民幣面值的分配，采用一二二五編排法（為找出最優(yōu)方案，曾考慮過8421BCD編碼方法，但常用的電阻量值與8421BCD編碼基數(shù)難以匹配，舍棄此編碼方法）．電阻編碼原理如圖6所示．以通道3，4為例說明，該通道共有5組，每組電阻值如下：第1組，1R、2R、2R、5R；第2組，10R、20 R、20R、50 R；第3組，100 R、200 R、200 R、500 R；第4組，1 K、2 K、2 K、5K；第5組，10 K、20 K、20 K、50 K．

5組共20個(gè)電阻構(gòu)成，每組為基數(shù)一二二五的4個(gè)電阻．20個(gè)電阻串聯(lián)接入通道一回路，在每個(gè)電阻兩端接一個(gè)繼電器，通過繼電器控制對應(yīng)電阻接入回路與否．例如，要輸出330R的電阻，只控制繼電器將10R，20R，100R，200 R這4個(gè)電阻接入回路即可．由于通道3、4內(nèi)最小電阻為1 R，其分辨率為1 R，以1 R為基數(shù)跳變．分辨率越小，電阻的漸變特性越能夠充分發(fā)揮．該程控電阻系統(tǒng)支持1 R，5 R兩種分辨率的電阻輸出，可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)阻值范圍輸出，分別為：100R到660kR（分辨率為5R）、20R到65kR（分辨率為1R）、2 R到65kR（分辨率為1R）．各通道定值電阻均采用精度為1%的電阻，通過程序?qū)^電器內(nèi)阻的補(bǔ)償校正，可以保證各通道的輸出的電阻精度保持在1%以內(nèi)．采用一二二五的電阻分組編排方式可以實(shí)現(xiàn)用最少數(shù)量的繼電器工作完成大范圍的連續(xù)阻值輸出．

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic

圖2 系統(tǒng)供電電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of power supply circuit

圖3 CAN數(shù)據(jù)收發(fā)電路圖Fig.3 Schematic diagram of CAN datatransceiver circuit

圖4 控制部分電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of control circuit

圖5 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of drivecircuit

圖6 通道3、4電阻分組編碼原理圖Fig.6 Group coding schematic diagram of channel 3,4 resistance

由于程控電阻系統(tǒng)中要使用了大量（80個(gè)）繼電器，而且繼電器組正常工作時(shí)的通斷動(dòng)作頻繁，在這種情況下，普通繼電器不僅使程控電阻工作時(shí)產(chǎn)生較大的噪聲，而且難以保證程控電阻系統(tǒng)長時(shí)間工作的可靠性，同時(shí)繼電器線圈容易對程控電阻系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定工作．基于以上考慮，選取了光電耦合式繼電器AQY211EHA，AQY211EHA完全彌補(bǔ)了電磁繼電器應(yīng)用在程控電阻系統(tǒng)中的不足．電阻輸出部分電路設(shè)計(jì)如附圖7所示．整體電路實(shí)物如圖8所示．

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于CAN總線通訊的程控電阻系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的核心是通過CAN板卡（NI-PXI-8513板卡）控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻輸出響應(yīng)的變化．飛思卡爾12XS128MAL有豐富的I/O口資源，可以通過I/O口同時(shí)實(shí)現(xiàn)較多路控制．單片機(jī)通過中斷方式從CAN收發(fā)器緩存中提取CAN報(bào)文信息，通過計(jì)算，配置各I/O口的輸出，驅(qū)動(dòng)繼電器工作，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電阻的輸出[5]．每個(gè)電阻輸出通道同時(shí)有20個(gè)繼電器控制各量值電阻接入電路與否，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)阻值的輸出．對于一個(gè)通道內(nèi)繼電器組的控制算法采用數(shù)組方式（4*5），通過對每一個(gè)數(shù)組元素值的分配，控制相應(yīng)繼電器的工作．當(dāng)CAN收發(fā)器中沒有數(shù)據(jù)進(jìn)來時(shí)，保持現(xiàn)有阻值的輸出．程控電阻系統(tǒng)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示．

圖7 程控電阻系統(tǒng)接口配置Fig.7 Interfaceconfiguration of programmableresistancesystem

圖8 程控電阻板卡實(shí)物圖Fig.8 Programmableresistanceboard

程控電阻系統(tǒng)通過上位機(jī)發(fā)送CAN報(bào)文數(shù)據(jù)控制電阻通道的輸出．系統(tǒng)整體控制示意圖如圖10示．在上位機(jī)界面（LabVIEW控制界面）配置CAN報(bào)文數(shù)據(jù)，通過CAN板卡輸出報(bào)文數(shù)據(jù)，單片機(jī)接受報(bào)文數(shù)據(jù)，根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)配置各通路輸出電阻值到汽車ECU．程控電阻上位機(jī)控制界面如圖11所示．

上位機(jī)（LabVIEW）CAN控制報(bào)文編碼信息如表1所示．

程控電阻系統(tǒng)的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)位/字節(jié)編碼格式采用“Motorola"格式，其.dbc數(shù)據(jù)庫文件位編碼順序如表2所示．

圖9 程控電阻系統(tǒng)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.9 Microcomputer softwaredesign flow chart of programmableresistancesystem

圖10 系統(tǒng)控制示意圖Fig.10 System control diagram

圖11 程控電阻系統(tǒng)上位機(jī)控制界面Fig.11 Control interfaceof programmableresistancesystem

程控電阻系統(tǒng)共計(jì)4個(gè)電阻輸出通道，每一通道的控制CAN報(bào)文信號定義如表3所示．同時(shí)表3列出了各電阻通道的電阻有效值輸出范圍、分辨率以及電阻輸出轉(zhuǎn)換描述．其中1、2通道輸出阻值范圍為100～660kR，分辨率為5R；3通道輸出阻值范圍為20～65 kR，分辨率為1 R；4通道輸出阻值范圍為2～65kR，分辨率為1 R．各通道不同的電阻輸出范圍與精度適用于不同要求的阻值輸出．

表1 CAN報(bào)文編碼信息表Tab.1 CAN message coding information table

表2 .dbc數(shù)據(jù)庫文件編碼順序Tab.2 Coding sequence of database file

表3 各通道控制信號定義及輸出信息Tab.3 Definition of channel control signal and output information

3 實(shí)施效果

基于CAN通訊的程控電阻系統(tǒng)在使用過程中體現(xiàn)出來的性能基本滿足汽車電子自動(dòng)化測試的要求．但由于光電耦合繼電器自身的內(nèi)阻問題，如在汽車組合儀表測試中，需要給儀表ECU提供一個(gè)燃油信號，燃油傳感器輸出阻值范圍為2～150 R（精度要求±2 R）．在2 R電阻輸出的情況下，電阻通道內(nèi)實(shí)際僅有2 R電阻兩端的繼電器斷開，使2 R電阻接入電阻通路，通道內(nèi)其余19個(gè)繼電器均吸合使相應(yīng)電阻短路于電阻通路．由此計(jì)算，每個(gè)光耦繼電器的內(nèi)阻為0.5R，這樣接入電路通路的19個(gè)繼電器產(chǎn)生的內(nèi)阻之和為9.5 R，電阻通道實(shí)際測得的輸出電阻值為11.5R．以上問題使得程控電阻系統(tǒng)的小阻值電阻輸出（小于10R）受到限制．針對這一問題，本文采用高位繼電器管理法，視1 R、2R、5R（在3、4通道內(nèi)）兩端繼電器為低位繼電器，同一通路內(nèi)其余繼電器為高位繼電器，在高位繼電器組兩端加裝一個(gè)高位管理繼電器，在控制程序中判斷當(dāng)電阻值要求輸出10R以下時(shí)，閉合高位繼電器．這樣，接入電阻通路的16個(gè)高位繼電器的內(nèi)阻被高位管理繼電器消化變成一個(gè)繼電器的內(nèi)阻，程控電阻系統(tǒng)的最小實(shí)際輸出電阻可以達(dá)到2.5 R，從而完全滿足儀表燃油信號輸入的要求．經(jīng)過改進(jìn)，基于CAN總線通訊的程控電阻系統(tǒng)完全滿足汽車電子電器自動(dòng)化測試的要求．

4 結(jié)論

該程控電阻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電阻并行控制輸出，簡化汽車電子電器測試的操作流程，在汽車電子電器自動(dòng)化測試中發(fā)揮著重要作用[6]．其有如下技術(shù)特點(diǎn)：1）基于CAN總線通訊控制方式，可以兼容汽車網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電阻輸出的上位機(jī)控制，控制方便，靈活性高；2）電阻的分組編排采用一二二五編排方式，符合常用電阻量值的分布，可以用最少的繼電器控制輸出大量程阻值，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電阻在大量程內(nèi)以1R或5R的分辨率連續(xù)高精度輸出；3）采用光耦繼電器替代電磁繼電器控制電阻輸出，減少了電阻輸出時(shí)繼電器產(chǎn)生的噪音，延長了程控電阻系統(tǒng)的工作壽命，同時(shí)避免了繼電器線圈對系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾通過高速光電耦合管控制切換電阻阻值比普通繼電器切換速度快、噪音小、壽命長、電磁兼容性好．

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