程控可調(diào)電阻單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈曉亮，賴震，蘇亮

（1.中信機(jī)電制造公司監(jiān)管臨汾室，山西侯馬，043000；2.中信機(jī)電制造公司科研設(shè)計(jì)院，山西侯馬，043000）

0 引言

傳感器是一種能夠檢測(cè)被測(cè)信息并通過人工配置將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他形式的信號(hào)以適應(yīng)信息傳輸和處理操作的部件。本文介紹了一種緊湊型程控可調(diào)電阻單元，用于模擬電阻型傳感器，可以快速輸出電阻值并同步調(diào)節(jié)電阻值，具有調(diào)節(jié)范圍大、操作簡(jiǎn)單、可靠性高、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路以MCU 為核心，以CAN 總線作為通訊介質(zhì)，與外部控制單元進(jìn)行協(xié)同控制。硬件系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：供電單元電路、CAN 通信單元電路、繼電器陣列單元、MCU 控制單元。系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

供電單元電路采用DC4.5～40V 寬輸入范圍DC-DC 變換器，實(shí)際外部供電電源可選擇12V 或24V 標(biāo)準(zhǔn)供電電源。DC-DC 變換器將外部供電變換為5.0V 電源，供給MCU 系統(tǒng)和其他電路使用。供電單元電路原理如圖2 所示。

圖2 供電單元電路原理圖

CAN 通信單元使用TJA1050 高速CAN 總線物理層接口芯片，該芯片可以工作在5V 電源系統(tǒng)內(nèi)，具備全速1Mbps的通信速率，支持 ISO11898 CAN 總線通信協(xié)議，兼容各型車輛、交通系統(tǒng)的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，是一款可靠性較高的CAN 總線物理層接口芯片。本設(shè)計(jì)中使用TJA1050 作為CAN 總線物理層接口，采用1Mbps 通信速率。CAN 通信電路原理如圖3 所示。

圖3 CAN 總線通信電路

繼電器陣列單元是控制電阻阻值的核心部分。該單元主要包含3 部分電路：繼電器驅(qū)動(dòng)、繼電器陣列、精密電阻。

繼電器驅(qū)動(dòng)電路使用了專用繼電器驅(qū)動(dòng)集成電路芯片MAX4820EUP+T。MAX4820EUP+T 芯片供電兼容3.3V 和5.0V 系統(tǒng)，配備8 通道繼電器驅(qū)動(dòng)電路，單路驅(qū)動(dòng)輸出電流70mA，內(nèi)部集成續(xù)流二極管，支持三線SPI（串行外設(shè)接口Serial Peripheral Interface)通信，可以極大減少PCB布線走線問題。MAX4820EUP+T 邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 MAX4820EUP+T邏輯框圖

由于驅(qū)動(dòng)繼電器較多，本設(shè)計(jì)充分利用MAX4820EUP+T的SPI 通信，采用多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)方式控制多個(gè)繼電器，進(jìn)而達(dá)到控制繼電器陣列的目的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3 通道電阻，繼電器驅(qū)動(dòng)控制電路如圖5 所示，MAX4820EUP+T 與繼電器可以直接連接，電路如圖6 所示。

圖5 MAX4820EUP+T級(jí)聯(lián)電路

圖6 MAX4820EUP+T與繼電器連接

繼電器陣列部分可以實(shí)現(xiàn)繼電器導(dǎo)通與斷開控制，從而使得不同繼電阻組合，最終得到需要的電阻值。雙通道繼電器陣列電路原理如圖7 所示。

圖7 三通道繼電器陣列

精密電阻控制原理如圖6 所示。以繼電器K1 為例，繼同時(shí)繼電器具備3000V 的絕緣隔離，可以使控制部分與電阻通道形成有效的電氣隔離，提高安全性。

精密電阻選用了精度為1%的金屬薄膜電阻，如圖7 所示電阻從左至右，在精度允許范圍內(nèi)，電阻值遵循2 的多次冪規(guī)律。電阻輸出可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)分辨率1Ω，0～8.32MΩ連續(xù)可調(diào)輸出。匹配電阻列表如表1 所示。

表1 精密電阻列表

本設(shè)計(jì)配備了3 通道電阻，每通道由23 個(gè)電阻組合、25 個(gè)繼電器、1 個(gè)保險(xiǎn)絲構(gòu)成。其中23 個(gè)繼電器用于對(duì)精密電阻的切換，另外兩個(gè)用于電阻通道總線BUSA 和BUSB的切換，即總線BUSA 和BUSB 可以模擬一些特定情況下的故障，輸入至電阻通道中。

MCU 控制單元使用意法半導(dǎo)體STM8S208C8 作為電器K1默認(rèn)狀態(tài)為銜鐵釋放，繼電器不接通，電阻R15（1Ω）接入電路。當(dāng)繼電器K1 收到RSA1 信號(hào)后，繼電器線圈通電，繼電器內(nèi)部銜鐵吸合，將R15 短路，該單元在電路中體現(xiàn)電阻值為0Ω。從而實(shí)現(xiàn)了電阻接入主電路或從主電阻電路中脫離。通過繼電器陣列不同的組合，形成不同的電阻組合。主控芯片，MCU 采用5V 供電。MCU 最小系統(tǒng)中還配備了24MHz 晶體振蕩器，程序燒錄接口，8421 地址識(shí)別電路等。MCU 通過CAN 總線接收通訊指令，將指令計(jì)算成MAX4820EUP+T 控制信號(hào)，然后通過板載SPI 通信將指令傳遞給MAX4820EUP+T，MAX4820EUP+T 將開關(guān)量傳遞給繼電器陣列進(jìn)行執(zhí)行。MCU 控制單元電路原理如圖8 所示。

圖8 MCU 控制單元

此外MCU 控制單元還配備了8421 地址識(shí)別電路，用于設(shè)定本地板卡地址。設(shè)定完成板卡地址后，CAN 總線上可以掛載多個(gè)不同類別板卡設(shè)備，本地板卡只識(shí)別其他控制器發(fā)給本地址的指令，而不執(zhí)行其他地址板卡的指令。這樣可以更好地與其他設(shè)備系統(tǒng)兼容，也可以實(shí)現(xiàn)多種類板卡、多通道共同受控。地址識(shí)別原理如圖9 所示。

圖9 地址識(shí)別電路

2 軟件技術(shù)設(shè)計(jì)

程控可調(diào)電阻單元系統(tǒng)以單片機(jī)STM8 為控制核心，使嵌入系統(tǒng)中的控制單片機(jī)向相應(yīng)的硬件芯片發(fā)送控制指令，控制繼電器的動(dòng)作，控制多個(gè)通道輸出需要的阻值；可以控制相關(guān)繼電器的閉合和斷開，模擬開路、短路等故障。

采用CAN 通信協(xié)議?？刂茊纹瑱C(jī)都有一個(gè)一個(gè)字節(jié)的專有地址標(biāo)志碼，用于上位機(jī)識(shí)別單片機(jī)的身份。該地址標(biāo)志碼由硬件電路確定，并且可根據(jù)需要設(shè)置為0～9 中任意一個(gè)數(shù)字。

模擬電池接入12V 直流電壓，單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，電源指示燈常亮，系統(tǒng)開始初始化。系統(tǒng)初始化程序主要包括：系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、看門狗初始化、IO 口初始化、SPI模塊初始化、定時(shí)器初始化、CAN 模塊初始化6 個(gè)模塊。

系統(tǒng)初始化后，讀取板卡ID 值。每個(gè)電池模擬器都有唯一身份標(biāo)志，單片機(jī)通過檢測(cè)相連的端口電平，確認(rèn)每個(gè)電池模擬器的板卡號(hào)，這樣可以區(qū)分上位機(jī)發(fā)送的指令，同時(shí)上位機(jī)也能獲取特定電池模擬器的信息，有了板卡號(hào)，在建立含有多個(gè)板卡的系統(tǒng)中，不會(huì)出現(xiàn)通信混亂問題。讀取板卡ID 值后，輸出電阻阻值初始化。

總線BUSA 和BUSB 的連接狀態(tài)默認(rèn)為斷開，通過控制繼電器的開或斷進(jìn)行控制。同時(shí)為了提高驅(qū)動(dòng)能力，采用反向達(dá)林陣芯片ULN2803 增加輸出的驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)BUSA 和BUSB 連接狀態(tài)開始初始化，程序中調(diào)用enableInterrupts使能總中斷，當(dāng)發(fā)生定時(shí)器中斷或者CAN 接收中斷后能進(jìn)入中斷服務(wù)程序，處理中斷。

當(dāng)接收到CAN 口發(fā)送的數(shù)據(jù)，便開始命令處理，CAN接收中斷命令處理流程圖如圖10 所示。

圖10 CAN 接收中斷命令處理流程圖

到定時(shí)時(shí)間后，發(fā)送心跳命令，CAN 口接收16 進(jìn)制命令后，可獲取版本信息、設(shè)置輸出阻值和狀態(tài)、測(cè)試命令，定時(shí)器中斷流程圖如圖11 所示。

圖11 定時(shí)器中斷流程圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

程控可調(diào)電阻單元系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，在上位機(jī)中進(jìn)行顯示與記錄。

程控可調(diào)電阻單元數(shù)據(jù)的顯示采用了圖表的方式，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 程控可調(diào)電阻單元測(cè)試結(jié)果

程控可調(diào)電阻單元，快速輸出電阻值的同時(shí)，可以同步調(diào)節(jié)電阻值的大小，誤差小、精度高。作為模擬電阻型傳感器，在交通設(shè)備制造業(yè)，測(cè)試測(cè)量裝備方面，效果直觀，為裝備生產(chǎn)或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供了具有重要價(jià)值的可靠數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種緊湊型程控可調(diào)電阻單元，用于模擬電阻型傳感器，在調(diào)節(jié)電阻值大小的同時(shí)，可以快速輸出電阻值，同時(shí)搭建了滿足測(cè)試要求的測(cè)試程序。得益于程序的模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)易于開發(fā)，可以滿足各種升級(jí)需求。通過實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求，精度高。它可以簡(jiǎn)化測(cè)試步驟，縮短測(cè)試時(shí)間，具有重要的實(shí)際意義。