基于CAN总线的温度检测节点设计

  在对电子点火模块的测试中，为了模拟电子点火系统的真实工况，电子点火模块往往被置于高于常温的环境下进行电子点火实验，以获得最接近真实汽车运行工况的点火参数数据。由于电子点火模块自身的发热，其核心元件的温度成为影响电子模块性能的重要因素；另外，还要考虑环境温度是否达到模拟真实工况的要求等。

  本文介绍了一种应用LM35温度传感器和PICMicro的温度检测节点的设计方案，用于检测在模拟汽车电子点火的过程中，电子点火模块的核心模块温度和环境温度，将阐明模块结构、工作原理及采样值量化的方法。

节点原理与结构

  该温度检测节点由传感器电路、信号调理电路、单片机应用系统、CAN总线接口等构成。电路基本工作原理是：传感器电路将感应到的温度信号以电压的形式输出到信号调理电路，信号经过调理后输入到A/D采样电路，由ADC将数字量值送给单片机系统。单片机系统将监控实时温度，当温度超过警戒值和危险值时，单片机将主动发送警告信息到上位机，提醒操作人员检查。模块逻辑结构如图1所示。

图1 温度检测节点逻辑结构

  传感器电路采用温度传感器LM35，供电电压为15V直流，工作电流为120mA ，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小，电压输出采用差动信号方式，由2、3引脚直接输出。LM35输出信号经过一个由RC组成的LP滤波器，滤除高频的噪声干扰。

   本节点的核心MCU是PIC16F87x，是Microchip公司推出的低功耗8位单片机。PIC16F87x拥有精简指令集，执行速度为200ns。CAN 控制器采用Microchip公司的MCP2510，总线驱动器采用PCA82C250，总线隔离电路采用光耦6N317，信号调理电路采用LF412。温度监测模块的硬件结构如图2所示。

图2 温度监测模块硬件结构

   信号调理电路主要完成对传感器信号放大和限幅的功能，将传感器电路输出的变化范围为2V左右的直流电压，调理为符合PICMicro的AD接口的电压范围，既不能超过AD采样的量程，又要有相当的信号精度。单片机通过A/D采样通道采集传感器的温度数据，并计算温度范围。

   外围设备电路为PIC16F87x最小系统运行所需要的必要外设。PIC16F87x通过SPI总线与MCP2510进行数据交换，完成CAN总线数据包的发送和接收，其接口电路如图3所示。

图3 PIC16F877与MCP2510的接口电路

    其中，SCK为SPI总线时钟，PIC16F87x模块的SPI接口接MCP2510的SI、SO、SCK，RA4与RA1分别控制MCP2510的芯片复位和片选。INT接受MCP2510的中断请求。

系统软件设计

 1系统软件流程

   为了避免因干扰而产生误动作，软件采取了一些冗余和容错处理，在A/D模块处理采样数据时，采用了软件滤波措施，以滤除电路中可能会出现的尖峰干扰。

   方法为连续采样五次，通过比较判断，去掉其中的最大值和最小值, 其余三次的值求和后取平均值，把平均值作为CPU用来划分温度范围的有效数据。数据包的解析和封装都遵循CAN的应用层协议，主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程

    当CPU检测到温度出现异常，会根据温度异常范围向上位机发出温度异常警报，这是该节点CPU唯一主动向上位机发出的数据帧。该节点的温度相关数据存放在缓冲区，在没有收到上位机数据请求的时候，该缓冲区的数据会不断的被新的数据刷新，以保证该节点数据的实时性，中断流程如图5所示。

图5 CAN接收中断流程

2 采样值的量化方法

 
    采样值的准确量化是温控电路正常工作的关键，这里采用以下换算办法来进行量化。设经过信号调理后的电压为Ui，则-10V< Ui<10V，已知-10V对应的温度是-55℃，10V对应的温度为125℃，易求得比例因数Kt = 0.111V/℃。温度为0℃时，ΔT= 55℃（相当于-55℃时的变化量）。

Ui=-10V+ΔT·Kt=-10V+55℃×0.111V/℃=-3.895V。

Ui转换为数字量后，每个数字量对应电压值为19.531mV，用Ks表示。可以求得数字量变化和温度变化之间的对应关系：Kt/Ks =（0.111V/℃）/（19.531mV/数字量）=5.683数字量/℃。

其他温度对应的数字量也可以通过以上方法算出。

3 SPI接口通信

   PIC16F87x通过SPI接口和MCP2510进行数据交换。

   MCP2510 设计可与许多微控制器的串行外设接口（SPI）直接相连。外部数据和命令通过SI引脚传送到器件中，而数据在SCK时钟信号的上升沿传送进去。

MCP2510在SCK下降沿通过SO 引脚发送表1列出了所有操作的指令字节。

以PIC16F87x向MCP2510发送读指令为例，来说明SPI接口通信过程。

在读操作开始时，CS 引脚将被置为低电平。随后读指令和8位地址码(A7～A0)将被依次送入MCP2510。在接收到读指令和地址码之后，MCP2510指定地址寄存器中的数据将被移出通过SO引脚进行发送。每一数据字节移出后，器件内部的地址指针将自动加一以指向下一地址。因此可以对下一个连续地址寄存器进行读操作。通过该方法可以顺序读取任意一个连续地址寄存器中的数据。通过拉高 CS 引脚电平可以结束读操作，如图6所示。

图6 SPI 接口通信时序

结束语

基于LM35开发的温控节点工作稳定性强、可靠性高、且具有体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点。该节点成本低廉，器件均为常规元件，有较高的工程价值。本节点拥有CAN接口，既可以作为一个独立的检测系统，也可以作为分布式测试系统的一个关键部分。CAN的上层协议都可以在软件中实现，使得本节点接口灵活，不受上层协议的限制。