基于C8051的車輛散熱系統(tǒng)參數(shù)測試電路研究

1 引言

車輛的系統(tǒng)散熱性是衡量其先進(jìn)性的一個重要標(biāo)志，因為車輛的各個部件和系統(tǒng)都存在一個最佳的工作溫度區(qū)間，在此溫度范圍內(nèi)零部件的各項性能指標(biāo)才能得以保證。目前，我國車輛系統(tǒng)的研制已進(jìn)入自行研制、自主創(chuàng)新的發(fā)展階段，由于缺乏實車試驗測試條件，加上車輛工作環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致有效的實車試驗數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，試驗周期長，數(shù)據(jù)可復(fù)現(xiàn)性差，無法向工程設(shè)計部門提供準(zhǔn)確有效的實車試驗數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響車輛總體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，本文著重于在不改變車輛現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和性能的前提下，采用單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、實時時鐘技術(shù)，研制一套能實時檢測和記錄車輛散熱系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的電子電路。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計

該散熱系統(tǒng)參數(shù)測試電路由上位微型計算機(jī)和下位單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。圖1是車輛散熱系統(tǒng)參數(shù)測點示意圖。該車輛散熱系統(tǒng)參數(shù)測試電路的主要功能和技術(shù)指標(biāo)為：(1)能夠同時對溫度、壓力、流量共計11路數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測；(2)利用從機(jī)白帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)分辨率的要求，基于先轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)睦砟羁朔四M信號在長線傳輸中易受到干擾的缺點；(3)使用RS485和USB串行總線傳輸，實現(xiàn)主從機(jī)間的多機(jī)通信及和上位機(jī)間的通信，且具有傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點；(4)使用大容量數(shù)據(jù)存儲器以滿足長時間大容量數(shù)據(jù)的存儲需求。

3 測試系統(tǒng)電路設(shè)計

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、液晶顯示、鍵盤、存儲、RS-485通信、USB通信等電路組成。圖2是系統(tǒng)電路設(shè)計框圖。

3．1 主控制單元電路設(shè)計

在系統(tǒng)電路設(shè)計中，采用C8051F系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器件。該單片機(jī)具有高速的指令執(zhí)行速度，同時將A／D轉(zhuǎn)換、交叉開關(guān)等復(fù)雜的外圍功能部件集成到單片機(jī)內(nèi)部，簡化了電路，提高了系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。

鍵盤模塊使系統(tǒng)具有手動獨立控制能力，該模塊的設(shè)計采用4×4非編陣列式鍵盤實現(xiàn)確認(rèn)、停止、清除、復(fù)位、通信、存儲、時間設(shè)置等功能。按鈕的行、列線分別接到MCU的P6端口，采用“行掃描法”來確定鍵盤上具體哪一個鍵被按下。顯示器選用點陣式液晶顯示模塊FM12864F，用于顯示各通道數(shù)據(jù)、當(dāng)前時間等，以便增強(qiáng)人機(jī)交互效果。采用串行時鐘DS1302進(jìn)行時鐘設(shè)計，在電路中我們用P0口的P0．5、P0．6、P0．7分別作為時鐘器件的串行時鐘線、數(shù)據(jù)線、復(fù)位線，將Vcc2連接到備份電源，以便在掉電的情況下能保存時間信息，這種記錄方便對長時間的連續(xù)測試系統(tǒng)結(jié)果的分析以及對查找異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因有著重要意義。

3．2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元采集車輛散熱系統(tǒng)的溫度、壓力、流量。

(1)溫度信號的采集 采用鉑電阻PT100來實現(xiàn)溫度信號的采集，測溫電路如圖3所示。采用R13、R14、VR2、PT100構(gòu)成測量電橋，當(dāng)PT100的電阻值和VR2的電阻值不等時，電橋輸出一個毫伏級的壓差信號，經(jīng)LM324放大后，接入從控機(jī)的模擬輸入通道AIN2進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

(2)流量信號的采集 采用超聲波多普勒流量計檢測流量信號。測量中超聲波發(fā)射器為一同定聲源，當(dāng)超聲波發(fā)射器所發(fā)射的固定頻率的超聲波入射到這些固體顆粒時，被反射到接收器的超聲波頻率就會與發(fā)射頻率之間有一個差值，該頻率差就是由于流體中固體顆粒運動而產(chǎn)生的多普勒頻移．由于這個頻移量正比于流體流速，所以測量此頻差就可以求得流速，進(jìn)而求出流體流量。

(3)壓力信號的采集 采用壓阻式傳感器來實現(xiàn)對壓力信號的檢測，測壓電路如圖4所示。在系統(tǒng)電路設(shè)計中，VD1采用LM385，其穩(wěn)定電壓為2．5 V，為傳感器提供1．5 mA恒流源的基準(zhǔn)電壓。U2與U3構(gòu)成差動輸入與差動輸出的放大電路，通過U5變換為對地的單端信號輸出，該輸出信號接入C8051F012的模擬輸入通道AINO進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

3．3 外圍電路的設(shè)計

外圍電路主要配合控制器完成車輛散熱系統(tǒng)參數(shù)測試，主要由存儲、RS485通信、USB通信等電路組成。

3．3．1 數(shù)據(jù)存儲電路的設(shè)計

由圖2可知，需要測量散熱系統(tǒng)的溫度、壓力、流量參數(shù)，共11路。根據(jù)設(shè)計要求，每隔0．5 s對這11路參數(shù)采集一次，連續(xù)采集2 h。如果采用10位的A／D轉(zhuǎn)換器，需存儲器的容量為309．375 K字節(jié)。因此選取容量為8 Mbit的AT45DB081作為大容量存儲器，把車輛在相當(dāng)長時期內(nèi)運行數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)存儲。圖5為存儲器接口電路，圖中將C8051F020的 P0．2、P0．3和P0．4引腳通過交叉開關(guān)配置為SPI的CLK、MISO和MOSI信號線，分別與AT45DB081的時鐘、串行輸出和串行輸入引腳相連。將P3．0、P3．1和P3．2分別與AT45DB081的片選、復(fù)位和忙閑引腳狀態(tài)相連。

3．3．2 通信電路的設(shè)計

(1)RS－485通信接口電路在測試電路中，主控機(jī)發(fā)送命令，從控機(jī)接收命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。因此采用RS－485通信協(xié)議來實現(xiàn)主從機(jī)間的多機(jī)通信，RS－485標(biāo)準(zhǔn)接口為差分驅(qū)動結(jié)構(gòu)，它通過傳輸線驅(qū)動器把邏輯電平轉(zhuǎn)換為電位差，完成信號的傳遞，提高了信號的抗共模干擾能力。本系統(tǒng)采用 MAX485驅(qū)動器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

(2)USB通信接口電路 在車輛參數(shù)測試電路中，我們通過PDIUSBD12擴(kuò)展USB接口來實現(xiàn)主控機(jī)和上位機(jī)的通信。系統(tǒng)中PDIUSBD12與C8051F020之間采用地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的連接方式，PDIUSBD12的ALE作為地址鎖存信號，A0接高電平，C8051F020的地址和數(shù)據(jù)總線直接與PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線相連。其USB接口電路如圖6所示。

車輛工作環(huán)境復(fù)雜，電磁輻射是不可避免的，由于PDIUSBD12本身的ESD保護(hù)能力有限，為有效防止靜電放電損害電子元件．系統(tǒng)設(shè)計中在D-，D+和地線之間并聯(lián)一個瞬變電壓抑制器。其SN75240接口電路如圖7所示。當(dāng)A，B或C，D兩端出現(xiàn)瞬間高能量沖擊時，它能以極高的速度把兩端的阻抗值由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，吸收一個大電流，從而將其兩端間的電壓箝位在一個較小的數(shù)值，保護(hù)后面的電路元件不因瞬態(tài)高壓的沖擊而損壞。

3．3．3 電源電路的設(shè)計

目前車輛的電平電壓多數(shù)是24 V，而參數(shù)測試裝置正常工作時，控制器所需的供電電壓為3 V，內(nèi)部其他器件所需的電壓為5 V。為保證參數(shù)測試裝置的正常工作，需要由車載電瓶將電壓轉(zhuǎn)換為+3 V、+5 V為參數(shù)測試裝置供電。

4 結(jié)束語

將上述硬件系統(tǒng)和電源系統(tǒng)、通訊單元等外圍電路制作成印制電路板，通過測試，該電路運行良好，而且在掉電和意外情況下能夠快速完整的將車輛散熱系統(tǒng)運行過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)存儲起來，并通過顯示器顯示當(dāng)前通道的動態(tài)參數(shù)值，實現(xiàn)了車輛散熱系統(tǒng)參數(shù)測試電路的設(shè)計要求。