汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、汽車(chē);由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)油量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)：機(jī)電一體化姓名：何張鵬學(xué)號(hào):指導(dǎo)老師：張惟兵2011年n月目錄摘要錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第一章緒論錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。L1課題的來(lái)源與背景錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。笫二章電容測(cè)量的物理原理和方法概述錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。一、電容式傳感器分類(lèi)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。2變介電常數(shù)式電容傳感器的適用領(lǐng)域錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。3.變介電常數(shù)式電容特性曲線(xiàn)、靈敏度、非線(xiàn)性錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。4、電容傳感器的等效電路錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。5、典型的電容檢測(cè)方法錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。第四章軟件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未指定書(shū)簽。笫五章試驗(yàn)錯(cuò)誤

2、!未指定書(shū)簽。3 / 40汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要汽車(chē)傳感器是汽車(chē)電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和汽車(chē)電子控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，微型化、多功能化、集成化和智能化的傳感器將逐步取代傳統(tǒng)的傳感器，成為汽車(chē)用傳感器的主流。本文研究應(yīng)用變介電常數(shù)式電容傳感器實(shí)現(xiàn)汽車(chē)油箱油量的測(cè)量，并設(shè)計(jì)、制作電容傳感器的產(chǎn)品類(lèi)型，試驗(yàn)分析并研究解決在實(shí)際使用條件下的一些問(wèn)題。首先分析比較了各種電容測(cè)量電路的特點(diǎn)，介紹根據(jù)£一模數(shù)轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)的電容測(cè)量器件AD7745,然后計(jì)算電容探頭在燃油中所產(chǎn)生的物理效應(yīng)，據(jù)此設(shè)計(jì)電容傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)測(cè)量信號(hào)處理電路以及測(cè)量結(jié)果顯示電路的硬件

3、和軟件。最后討論電容傳感器在轎車(chē)郵箱中的標(biāo)定方法，電容測(cè)量的溫度補(bǔ)償，濾除液面抖動(dòng)以及傳感器故障診斷等問(wèn)題。電容式油量傳感器相比于傳統(tǒng)的浮子式油量傳感器，其顯著的優(yōu)點(diǎn)在于取消了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小。關(guān)鍵詞：汽車(chē)油箱，變介電常數(shù)式電容，傳感器，E一模數(shù)轉(zhuǎn)換5 / 40汽車(chē);由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一章緒論1.1課題的來(lái)源與背景現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)為了追求最佳的零部件總布置，各大汽車(chē)生產(chǎn)商都無(wú)一例外地采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，力求合理、緊湊地布置零部件，使空間得到最有翠的利用。轎車(chē)的燃油箱在生產(chǎn)工藝上主要是采用吹塑加工，其吹塑模具比加工板金件的金屬模具要廉價(jià)很多，而且塑料的易流動(dòng)性也保證能較容易地加工出

4、異型件。利用這個(gè)特點(diǎn)，燃油箱往往是整車(chē)總布置設(shè)計(jì)中最后完成的零件。在布置好其他零部件的空間位置后，剩下留給放置燃油箱的空間往往是異型的，為了獲得較大的載袖量，乂必須盡可能多地利用這個(gè)不規(guī)則的一間，所以油箱外形通常是沒(méi)有什么規(guī)則的異型，而且各款轎車(chē)的油箱形狀通常也不盡相同。圖1.1的兒張實(shí)物圖片是使用在上海大眾桑塔納普通型轎車(chē)上的燃油箱（容積60升左右、轎車(chē)油箱的異形特點(diǎn)由此可見(jiàn)一斑。圖L1汽車(chē)油箱實(shí)物圖異型油箱有效地利用了車(chē)身空間，載油量變大，但是要比較精確地測(cè)量?jī)?nèi)部的載油量就不容易?，F(xiàn)有的測(cè)量裝置采用傳統(tǒng)的浮子式液位傳感器，其基本敏感元件為浮子，.結(jié)構(gòu)示意圖如1.2所示。將敏感元件機(jī)械量的變

5、化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的檢測(cè)手段主要有兩類(lèi):一類(lèi)是用滑動(dòng)電位器為基本檢測(cè)元件，目前生產(chǎn)的中低檔汽車(chē)多采用此類(lèi)檢測(cè)元件。如圖1.3所示，它是由浮子通過(guò)連桿帶動(dòng)電位器，其阻值變化改變電路中的電流大小,從而改變線(xiàn)圈的磁場(chǎng)?雖弱，決定指針的偏轉(zhuǎn)角度。簡(jiǎn)言之即是利用歐姆表檢測(cè)電位器阻值，從而達(dá)到顯示油位的目的。但當(dāng)油垢覆蓋電位器后，其阻值會(huì)發(fā)生變化，造成誤差太大，甚至不能使用，使此類(lèi)油箱傳感器成為壽命很短的易損件。另一類(lèi)是用電感線(xiàn)圈為基本檢測(cè)元件，例如現(xiàn)在生產(chǎn)的高檔汽車(chē)多采用此類(lèi)檢測(cè)元件。它是用浮子帶動(dòng)電感線(xiàn)圈，改變振蕩電路的振蕩頻率，再通過(guò)頻率計(jì)檢測(cè)其頻率來(lái)測(cè)定油位。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試麻煩，成本高，價(jià)格貴，不

6、能被廣泛使用5 / 40汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)浮廣式燃油傳感器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件比較多，例如滑動(dòng)變阻器式檢測(cè)元件需要連桿通過(guò)錢(qián)鏈驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)觸點(diǎn)在變阻器上移動(dòng)，在汽車(chē)油箱惡劣的使用環(huán)境中，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件容易磨損而導(dǎo)致傳感器失另mi寺續(xù)有效。復(fù)變化和其體積的變化并不成線(xiàn)性關(guān)系，人現(xiàn)有的測(cè)量方法通常有比較大的誤一般用1/1、1/2、。分別表示滿(mǎn)油、半箱油圖1.4油量表刻度：松散，不精確。駕駛員由于儀表盤(pán)上燃油表的指示不夠精確，常常在估計(jì)燃油余量時(shí)發(fā)生較大誤差。有時(shí)估計(jì)值大于實(shí)際余量值，而不及時(shí)加油，常常在公路行車(chē)過(guò)程中由于燃油耗盡而拋錨；有時(shí)估計(jì)值小于實(shí)際余量值，在加油站常常加油過(guò)多以至燃油溢出油箱加袖口。

7、這些情況的發(fā)生或多或少地存在一些安全隱患。本文研究也容式傳感器的技術(shù)路線(xiàn)是：使用電容作為電場(chǎng)傳感器的敏感元件，對(duì)轎車(chē)異型燃油箱的油量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)硬件電路和微控制器處理數(shù)據(jù)后，通過(guò)車(chē)身局域網(wǎng)總線(xiàn)將測(cè)量結(jié)果傳送至儀表盤(pán)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)指針將油箱中燃油量指示出來(lái)。3標(biāo)是設(shè)計(jì)、制作一個(gè)接近產(chǎn)品化的實(shí)物傳感器，并與實(shí)際燃油箱匹配。典卷式傳感密的電珞站構(gòu)植把及""*制I電機(jī)*豕心盟q*»'第二章電容測(cè)量的物理原理和方法概述一、電容式傳感器分類(lèi)電容式傳感器的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。由物理學(xué)可知，電容器的電容是構(gòu)成電容器的兩極板形狀、大

8、小、相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)。以最簡(jiǎn)單的平板電容器為例（如圖2.1，當(dāng)不考慮邊緣電場(chǎng)影響時(shí)，其電容量（：為JH8式中* £介質(zhì)的介電常數(shù)；極板的面積，極板間的距離：連存七場(chǎng)圖2. L平板電容器由2,0式可知，平板電容器的電容是5,5,飛勺函數(shù)，即（“，（"53“電容式傳感器的工作原理正是建立在上述關(guān)系之上的。具體地說(shuō)，如將上極板固定，而下極板與被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體固連，當(dāng)被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體上、下移動(dòng)（使&變化）或左、右移動(dòng)（使37 / 40汽車(chē):由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變化）時(shí)，將引起電容的變化。通過(guò)一定測(cè)量電路可將這種電容變化轉(zhuǎn)化為電壓、電流、頻率等電信號(hào)輸出。標(biāo)定后，根據(jù)輸出

9、信號(hào)大小，即可測(cè)定運(yùn)動(dòng)物體位移大小。如果兩極板均固定不動(dòng)，而極板間的介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化致使介電常數(shù)產(chǎn)生變化時(shí)（如介質(zhì)在極板中間的相對(duì)位置、介質(zhì)的溫度、密度、濕度等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，.均能導(dǎo)致介電常數(shù)的變化），也能引起電容變化，故可據(jù)此測(cè)定介質(zhì)的各種狀態(tài)參數(shù)，如介質(zhì)在極板中間的位置、介質(zhì)的濕度、密度等?？傊?，只要被測(cè)物理量的變化能使電容器中任一參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)變化而引起電夸變化，再通過(guò)一定的測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為有用的電信號(hào)輸出，即可根據(jù)這種輸一信號(hào)大小來(lái)判定被測(cè)物理量的大小，這就是電容式傳感器的基本工作原理。電容式傳感器根據(jù)其工作原理不同，可分為變間隙式、變面積式、變介電常數(shù)式三種。按極板形狀不同有平

10、板和圓柱形兩利產(chǎn)。變間隙式一般用來(lái)測(cè)量微小的線(xiàn)位移（小至0.01微米零點(diǎn)幾毫米）；變面積式則一般用來(lái)測(cè)角位移（自一角秒至兒十度）或較大的線(xiàn)位移；變介電常數(shù)式常用于固體或液體的物位測(cè)量，也用與測(cè)定各種介質(zhì)的濕度、密度等狀態(tài)參數(shù)。本文設(shè)計(jì)的汽車(chē)油薰傳感器就是應(yīng)用變介電常數(shù)式電容傳感原理。2、變介電常數(shù)式電容傳感器的適用領(lǐng)域電容式液位傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高-、分辨率高、體積小、高頻特性好，并能在高溫輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣環(huán)境下工作等，所以它被廣泛應(yīng)用于各種液位測(cè)量中。電容液位傳感器的電極結(jié)構(gòu)如圖22所示。圖22。）適用于

11、導(dǎo)電容器中的絕緣液體的液位測(cè)量，且容器為立式圓筒形,容器壁作為一極,沿軸線(xiàn)插入裸金屬棒作為另一極，電極其間構(gòu)成的電容（'與液位成比例，也可懸掛帶重錘的軟導(dǎo)線(xiàn)作為一個(gè)電極汽閣22（廣適用于導(dǎo)電液體或?qū)饘匐姌O有腐蝕性的液體測(cè)量中。插入待測(cè)液體中的電極表面有不導(dǎo)電或防腐蝕鍍層，計(jì)算測(cè)得的電容，只需將鍍層所帶來(lái)的影響去掉即可,圖22（0適用于非金屬容器，用絕緣支架套裝內(nèi)外兩層金屬套筒，套簡(jiǎn)上下開(kāi)口或整體上均勾分布多個(gè)孔，使內(nèi)外液位相同，內(nèi)外套筒構(gòu)成兩個(gè)電容電極，其電容和容器形狀無(wú)關(guān)，只取決于液位高度。若待測(cè)液體不導(dǎo)電且對(duì)電極無(wú)腐蝕,可直接將金屬套筒插入進(jìn)行測(cè)量：若為導(dǎo)電液體或有腐蝕性，可以用

12、220-,圖2,2/野鳴傳感器的電極結(jié)構(gòu)汽車(chē);由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中提到的表面加鍍層的方法進(jìn)行處理。這種測(cè)量方式由于內(nèi)外套簡(jiǎn)的間距不大，對(duì)于含有顆粒麴的液體測(cè)量漏量，容易產(chǎn)生滯留物在極間，可以用裝濾網(wǎng)的辦法加以解決。汽車(chē)燃油（汽油或柴油）是具有電氣絕緣性能的液體混合物，粘度低、流動(dòng)性好揮發(fā)性強(qiáng)；而且汽車(chē)油箱是用不導(dǎo)電的高性能塑料通過(guò)吹塑加而成，根據(jù)汽車(chē)上的使用情況，采用第三種電極方式是合適的。3.變介電常數(shù)式電容特性曲線(xiàn)、靈敏度、非線(xiàn)性電容式液位計(jì)所使用的電容式傳感元件屬于變介電常數(shù)式。當(dāng)被瀕液體的液面在電容式傳感元件的兩同心圓柱形電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)介質(zhì)的高度發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電

13、容變化，如圖2.3所示，其輸出電容與液面高度的關(guān)系為圖2.3內(nèi)外套筒式電容器9 / 40汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)27reo(h x)RiR2五7In2兀£uh 2tf(ex - eo)x式中：£i液體介質(zhì)的介電常數(shù)(F/M)；&?？諝獾慕殡姵?shù)F/MMh電極板的總氏度；R1內(nèi)極板的外徑；R2外極板的內(nèi)徑；# / 40汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2.4變介電常數(shù)式電容特性曲線(xiàn)由22式可知，輸出電容（：將與液面高度I成線(xiàn)性關(guān)系。變介電常數(shù)式電容特性曲線(xiàn)如圖24所示。由式可見(jiàn)，影響靈敏度的參數(shù)是內(nèi)極板的外徑化！和外極板的內(nèi)徑廣之比值,當(dāng)R2和R1比值越小，其靈敏度越高，意味著內(nèi)

14、外套筒的間距越小靈敏度也好。但受電容器擊穿電壓的限制以及介質(zhì)發(fā)生掛壁現(xiàn)象的趨勢(shì)，而且增加裝配工作的困難，因此這個(gè)差距應(yīng)該控制在一個(gè)最優(yōu)化的范圍。本文在后面的章節(jié)中將會(huì)論述如何根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)化，液面高度與油箱中的油量關(guān)系是非線(xiàn)性的，為了獲得電容輸出與油量的線(xiàn)性關(guān)系，必須使電容與液面高度成非線(xiàn)性關(guān)系，通常的方法是在一個(gè)圓柱形極板上開(kāi)些缺口圜，此時(shí)電容式傳感元件的特性將是非線(xiàn)性的，其示意圖如圖25所示。圖2.5非線(xiàn)性電容傳感元件“2 6另一種變介由常數(shù)式電容11/40另種變介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖見(jiàn)圖26c當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容輸出與介質(zhì)常數(shù)之間的關(guān)系為EoS6 -十式中：d運(yùn)

15、動(dòng)介質(zhì)的厚度（m"其他符號(hào)意義同前。由上式可見(jiàn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度4保持不變而介電常數(shù)&改變，如濕度變化,電容將產(chǎn)生相應(yīng)的變化，據(jù)此可做成介電常數(shù)一的測(cè)試傳感器，如濕度傳感器。反之，若&不變，則可傲成測(cè)厚傳感器.4、電容傳感器的等效電路絕大多數(shù)電容式傳感器均可用一純電容來(lái)表示。在高頻下（如幾兆赫、即使電容很小，損耗一般亦可忽略。在低頻時(shí)，其中損耗可用并聯(lián)電阻&來(lái)表示（圖28）,它代表直流漏電阻、電極絕緣基座中的介質(zhì)損耗和在極板間隙中的介質(zhì)損耗等。對(duì)空氣介質(zhì)電容器來(lái)說(shuō)，其損耗一般可以忽略；對(duì)固體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，顯然損耗與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。件計(jì)算式均未考慮由場(chǎng)的訪綏效應(yīng).他宓

16、際由容量用28電容傳感等用電路.產(chǎn)'加 3rLN*42圖如 7帶有防護(hù)環(huán)的由公據(jù)汽車(chē);由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)但在高頻情況下，電流的趨膚效應(yīng)將使導(dǎo)體電阻增加陽(yáng)，因此圖中幾代表導(dǎo)線(xiàn)電阻、金屬支座及極板電阻。此時(shí)，連接導(dǎo)線(xiàn)的電感亦應(yīng)考慮，圖中以L表示。AC AC一 I ZSSC, CX-cLC)對(duì)于任一諧振頻率以下的頻率，由于乙的存在，傳感器的有效電容。將增加八0,有效電容的相對(duì)變化也將增加，因此測(cè)量時(shí)必須與校準(zhǔn)時(shí)處在同樣條件下，即電纜長(zhǎng)度不能改變。在電容式傳感器的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，要特別注意防止寄生電容的干擾。由于電容式，感器本身電容量很小，僅幾十皮法、甚至兒皮法，因,傳感器受寄生電容干擾問(wèn)題

17、非常突出。這個(gè)問(wèn)題解決不好，將導(dǎo)致傳感器特'性嚴(yán)重不穩(wěn)，甚至完全無(wú)法JJ乍。在任何兩個(gè)導(dǎo)體之間均可構(gòu)成電容聯(lián)系，因此電容式傳感器除了極板間的電容之外，極板還可能與周?chē)矬w（包括儀器中各種元件甚至人體）之間產(chǎn)生電容聯(lián)系。這種附加的電容聯(lián)系，稱(chēng)之為寄生電容。寄生電容使傳感器電容量改變。由于傳感器本身電容量很小，再加上寄生電容乂是極不穩(wěn)定的，這就會(huì)導(dǎo)致傳感器特性的不穩(wěn)定，叢而對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。為了克服這種不穩(wěn)定的寄生電容聯(lián)系，必須對(duì)傳感器及其引出導(dǎo)線(xiàn)采取屏蔽措施，即將傳感器放在金屬殼體內(nèi)，并將殼體接地，從而可消除傳感器與殼體外部物體之間的不穩(wěn)定的寄生電容聯(lián)系。傳感器的引出線(xiàn)必須采用屏蔽線(xiàn)

18、，II應(yīng)與殼體相連而無(wú)斷開(kāi)的不屏蔽間隙，屏蔽線(xiàn)外套同樣應(yīng)良好接地。但是，對(duì)電容式傳感器來(lái)說(shuō)，這樣做依然存在所謂的電纜寄生電容問(wèn)題：1.屏蔽線(xiàn)本身電容量大，最大每米可達(dá)上百皮法，最小的亦有兒皮法。由于電容式傳感器木身電容量?jī)H幾十皮法甚至還小，當(dāng)屏蔽線(xiàn)較長(zhǎng)且其電容與傳感器電容相并聯(lián)時(shí)，傳感器電容的相對(duì)變化量將大大降低，也就是說(shuō)傳感器的有效靈敏度將大大降低。2,尤為嚴(yán)重的是，由于電纜本身的電容量隨放置位置和其形狀的改變而有很大變化，這樣將使傳感器特性不穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)，有用電容信號(hào)將被寄牛.電容噪聲所淹沒(méi)，以至傳感器無(wú)法工作。電纜寄生電容的影響，長(zhǎng)期以來(lái)一直是電容式傳感器難于解決的棘手的技術(shù)問(wèn)題，阻礙著它

19、的發(fā)展和應(yīng)用。目前微電子技術(shù)的發(fā)展，已為解決這類(lèi)問(wèn)題創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。一種可行的技術(shù)方案是將測(cè)量線(xiàn)銘的前級(jí)或全部與傳感器組裝在一起，構(gòu)成整體式或有源式傳感器，以便根本消除長(zhǎng)電纜所帶來(lái)的寄生電容的影響。基于上述考慮，本文所設(shè)計(jì)的電容探頭和信號(hào)處理電路板安裝焊接在一起，一方面能有效地減少由于導(dǎo)線(xiàn)電纜所帶來(lái)的雜散電容的影響，另一方面考慮到生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量穩(wěn)定性，探頭和處理電路做在一起，可以保證在生產(chǎn)和安裝過(guò)程中所產(chǎn)生的附加電容能被有效地控制，而不必修改標(biāo)定后所得到的參數(shù)以及程序。# / 40汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5、典型的電容檢測(cè)方法電容式傳感器將被測(cè)物理量變換為電容變化后，必須采用信號(hào)處理電路

20、將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。電容式傳感器的測(cè)量電路種類(lèi)很多，典型的測(cè)量電路主要有以下幾種。交流電橋法雙T二級(jí)管式電路差動(dòng)脈寬調(diào)制電路運(yùn)算放大器式電路下面分即簡(jiǎn)亞/次冬測(cè)信由四的T作面神.赴日任合若本.卜仲田交際枯沖.-評(píng)述1、:阻電見(jiàn)移上已變壓器式橋路的等效電路圖如閣210所示。圖中Cl、C2可以是兩個(gè)差動(dòng)電容器，也可使其中之一為固定電容器，另一為電容式傳感器；ZF為放人器的輸入阻抗,一般可取ZF上的電壓降即為電橋輸出電壓U。設(shè)在起始時(shí)，下面來(lái)求U與傳感器電容Cl、C2及電路其他參數(shù)的關(guān)系式。13 / 40SC25?-A/§D+一507)Ci+C2£St£S-

21、石，代(2.7)式入(2.6)式可得d<-=£<2.8)6。# / 40汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可見(jiàn)，當(dāng)輸出與(C1-C2)/(C1+C2)成比例時(shí),即使對(duì)變間隙電容式傳感器來(lái)說(shuō)，輸出也將與輸入位移成理想線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)變壓器式電橋來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)放大器的輸入阻抗為無(wú)限大時(shí)才能做到。以上所述為不平衡電橋電路，它的輸出均與供橋電壓成比例。電源電壓的不穩(wěn)定將直接影響測(cè)量精度。對(duì)于不平衡電橋，傳感器必須工作在小偏離情況下，否則電橋非線(xiàn)性將增大。15 / 40汽車(chē):由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平衡電橋以電橋橋臂的平衡條件為基礎(chǔ)，這種平衡條件與電源電壓無(wú)關(guān)，因此測(cè)量將不受電源電壓波動(dòng)的影響，而電橋輸出

22、一般具有線(xiàn)性特性。采用自動(dòng)平衡電橋線(xiàn)路也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、遠(yuǎn)距傳輸以及多信號(hào)輸出等要求。飛機(jī)上的電容式油量傳感器就是使用這種檢測(cè)方法的。第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路硬件設(shè)計(jì)3.2 電容測(cè)量芯片簡(jiǎn)介在本文第二章中提到：在集成電路高速發(fā)展的今天，面對(duì)小電容的測(cè)量，很多半導(dǎo)體技術(shù)生產(chǎn)供應(yīng)商業(yè)已給出了許多解決方案。目前，美國(guó)模擬器件公司發(fā)布了一款基于Sigma-Delta(S-A)原理的高精度、完全集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)AD7745,從而解決了從電容到數(shù)字直接轉(zhuǎn)換的復(fù)雜而困難的信號(hào)處理難題。這款CDC將先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和高集成度制造工藝相結(jié)合，達(dá)到了以前只能通過(guò)大量的分立元件支持傳統(tǒng)的模擬電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換

23、器才可能達(dá)到的精度水平,# / 40汽車(chē):由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這款單芯片、高精度的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）AD7745在一顆芯片上集成了電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換的所有電路，降低了設(shè)計(jì)難度和外部元件成本,方便易用，有效地降低了硬件和軟件開(kāi)發(fā)成本，集成度很高，能夠?qū)y(cè)量探頭和信號(hào)處理電路做在一起，去除了連接電纜所帶來(lái)難以控制的雜散電容的影響，從而根除了傳統(tǒng)電容傳感器的限制，拓展了電容傳感器的使用范圍。AD7745是軟件可配置的，軟件可設(shè)置的輸出數(shù)據(jù)速率可以在5HZ到90HZ之間變化。以16.6HZ輸出數(shù)據(jù)速率工作，可以同時(shí)抑制50HZ和60IIZ的信號(hào)»其具有高分辨率（24BIT分辨率）、低噪聲以及

24、低功耗（0.7mA電流消耗）和全系列片內(nèi)模擬功能相結(jié)合，其屬于工業(yè)級(jí)芯片，能跟在一40（+1259溫度范圍正常工作，完全滿(mǎn)足汽車(chē)使用的溫度條件。同時(shí)，AD7745內(nèi)部還有一個(gè)溫度傳感器，周期性對(duì)環(huán)境溫度采樣測(cè)量，通過(guò)軟件可以校準(zhǔn)由于環(huán)境溫度變化所帶來(lái)的電容測(cè)量誤差。AD7745通過(guò)2線(xiàn)12c串行接口和微控制器通訊，進(jìn)行芯片初始化設(shè)置和測(cè)量結(jié)果的發(fā)送。這些功能的結(jié)合非常適合于要求填小的功耗和印制電路板（PCB）面積的場(chǎng)合。AD7745OKSTAL.HLTfift4£XCAexes圖3JAD7745電路結(jié)構(gòu)圖回AD7745的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)f如圖3.1。這是一款典型的基于Sigma-Delt

25、a（I一A）原理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。待測(cè)電容的兩端分別接入EXC（激勵(lì)）和CIN（輸入）口，在EXCA/B端口由芯片內(nèi)部產(chǎn)生32KHz的方波激勵(lì)待瀾電容，芯片內(nèi)部模塊對(duì)從CIN1端口輸入的反饋信號(hào)進(jìn)行積分比較、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號(hào)處理，將測(cè)!量結(jié)果從產(chǎn)c端口以數(shù)字量輸出。在AD7745內(nèi)部還帶有一個(gè)基于參考電壓比較的數(shù)字溫度傳感器，通過(guò)軟件配置，片上溫度值也能通過(guò)12c端口以數(shù)字量輸出。此芯片內(nèi)部溫度傳感器的測(cè)量范圍是一40C+125(,經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，其精度是±2Ca由于AD7745耗電量很低，僅為0,7mA的電流，即最大在+5V供電電壓下的功耗僅為3.5mW,在3.3V低電壓供電下甚

26、至只有2.3mW。如此低功耗保證了該測(cè)量芯片本身幾乎沒(méi)有什么發(fā)熱量，其內(nèi)部溫度傳感器所測(cè)值能夠作為環(huán)境溫度值，而進(jìn)行電容測(cè)量的溫度校正。AD7745的測(cè)量范圍是08pF,可以通過(guò)軟件進(jìn)行配置，達(dá)到最大偏置量后，可測(cè)擻1321pF范圍的電容變化。這個(gè)范圍也是設(shè)計(jì)電容探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸的依據(jù)，當(dāng)電容探頭放入燃油中所產(chǎn)生的電容變化,應(yīng)該落在此測(cè)量芯片可測(cè)范圍中。3.3 結(jié)構(gòu)尺寸約束根據(jù)測(cè)量信號(hào)處理器件AD7745的量程，確定電容探頭的結(jié)構(gòu)尺寸。本文采用了內(nèi)外圓柱套簡(jiǎn)式電容，其電場(chǎng)建立在內(nèi)外套筒之間，相比較于兩平行極板構(gòu)成形式的電容，這種結(jié)構(gòu)能夠在最大程度上減小正負(fù)極板的電場(chǎng)邊緣效應(yīng)，因?yàn)槠渲辉谳S向方向

27、上的上下端存在電場(chǎng)邊緣效應(yīng)，較之平行極板形式的電容四面均存在電場(chǎng)邊緣效應(yīng)，這種雙套筒形式要優(yōu)化許多，且其在徑向方向上形成封閉電場(chǎng)，在該方向上抵抗外電場(chǎng)干擾能力比較強(qiáng),EMC特性較好。圖3.2內(nèi)外圓柱套筒式電容探頭示意圖19 / 40(3.1)(3.2)兩式相減得Cd - Ci = 8p 產(chǎn)(3.3)（3.1）式代入（33）式得 總In RiRiRt= 8pF(3.4)根據(jù)附錄A表 1： £i = 2.2xl0-12戶(hù)7如，er = M0l2F/m代入式（3.4）計(jì)算得- = 835對(duì)于內(nèi)外圓柱套筒式的電容，&，Rz分別為內(nèi)外兩簡(jiǎn)直徑，電容值計(jì)算公式為叫c2加部TinRi其中夫

28、2風(fēng)，為導(dǎo)體長(zhǎng)度，.£0=8.854x10"尸"明根據(jù)AD7745量程匹配要求，可以確定所產(chǎn)生的物理效應(yīng)的范圍:JCi=Cu+AC=13pFC2Cx2+AC=2lpF根據(jù)演示和展示的要求，取/=0.2m于是可算得In=8.35x0.2=1.67Ri即&=967=5.132*5（3.5）式（3.5）是設(shè)計(jì)內(nèi)外套筒半徑的尺寸比例約束，但是兩筒的間距不能太小,否則發(fā)生毛細(xì)（虹吸現(xiàn)象，而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量。下面通過(guò)分析毛細(xì)（虹吸）現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，計(jì)算兩筒的最小間距，確定合理的Ri、R2尺寸°34傳感器探頭的設(shè)計(jì)作為面向產(chǎn)品的快速原型設(shè)計(jì)，本傳感器除了滿(mǎn)足其理論

29、研究的基本要求外,還需要同時(shí)兼具演示和展示的功能。所以，首先用有機(jī)玻璃材料制作了一個(gè)類(lèi)似實(shí)際汽車(chē)油箱的異形容器，直觀明了.所設(shè)計(jì)的傳感器以此為試驗(yàn)基礎(chǔ)，根據(jù)其幾何關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定、測(cè)試等試驗(yàn)研究。圖3.4探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上文計(jì)第確定了內(nèi)外雙套筒結(jié)構(gòu)探頭的尺寸，下面論述選擇合適的材料進(jìn)行機(jī)械加工以及在原型件機(jī)械加工中應(yīng)當(dāng)注意的兒個(gè)問(wèn)題。圖3.5探頭裝配圖如圖3.4,考慮到絕緣能力以及方便機(jī)械加工，固定內(nèi)外套筒式電容探頭的基座零件2使用的材料是聚四氟乙烯，該材料不僅絕緣能力好，而旦易于加工，車(chē)削加工和鉆孔都不易碎裂，并且還有很好的彈性；內(nèi)外套筒采用紫銅，其和聚四氟乙烯制成的基座的裝配采用過(guò)盈緊配合。圖3.

30、5是探頭裝配圖。具體零件的機(jī)械設(shè)計(jì)圖參見(jiàn)附錄B圖1。機(jī)械加工中應(yīng)該注意的是使內(nèi)外套筒的同軸度要好，否則造成電極間形成的電場(chǎng)分布不均。在空間4靠近零件2應(yīng)該對(duì)稱(chēng)開(kāi)大小相同的小孔，使空間4與油箱內(nèi)部其他空間連通，否則由于氣體壓力在空間4中燃油無(wú)法和套簡(jiǎn)外保持高度一致。車(chē)削加工棗件2時(shí)，車(chē)刀進(jìn)給量宜小，保證較好的加工圓度以及較高的表面質(zhì)為了便于演示，材料1采用5mm厚的有機(jī)玻璃板車(chē)削加工。在圖3.4中形成的空腔3中布置傳感淵的信號(hào)處理電路，這樣從電極到電路板的導(dǎo)線(xiàn)距離很短，宥效地減少雜散電容的影響。傳感器探頭的實(shí)物照片如圖36所示。圖3.6傳感器探頭實(shí)物圖361電路結(jié)構(gòu)綜述整個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)電路由兩

31、個(gè)主要部分組成，傳感器測(cè)量信號(hào)處理電路和儀表顯示電路，其間通過(guò)車(chē)身網(wǎng)絡(luò)通訊總線(xiàn)發(fā)送測(cè)量結(jié)果。針對(duì)可能出現(xiàn)的不同接口需求，設(shè)計(jì)電路時(shí)預(yù)留了CAN.LTN兩種通訊接口可供選擇。系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3.7所示。有關(guān)電路的詳細(xì)原理圖參見(jiàn)附錄B圖2和圖3o汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)362主要電路設(shè)計(jì)1）微控制器GZ16及外圍電路簡(jiǎn)介本文選用的微控制器是飛思卡爾半導(dǎo)體公司的用于汽車(chē)領(lǐng)域的工業(yè)級(jí)&位芯片MC68HC908Gzi6（以下簡(jiǎn)稱(chēng)GZI6）,該款芯片主要有以卜.的特點(diǎn)：性?xún)r(jià)比較高,具有16K的FLASH,2通道的定時(shí)器，輸入捕捉/輸出比較/PWM輸出，37個(gè)I/O引腳，SPhESCKCAN

32、模塊各一個(gè)。桀成的模塊也比較齊全,適合作為CAN總線(xiàn)或LIN總線(xiàn)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該控制器除了完成燃油量測(cè)量外,在油箱總成中，同時(shí)還可作為電動(dòng)燃油泵、燃油蒸汽壓力傳感器等部件的控制器，簡(jiǎn)言之，在油箱控制總成零部件中，一顆GZ16控制器用以完成所需的功能。GZ16采用外接4MHz晶振，使用芯片內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻到8MHz內(nèi)部總線(xiàn)。其模擬地和電源之間以及數(shù)字地和電源之間采用O.luF貼片電容濾波。在PCB布線(xiàn)中考慮了其抗干擾的問(wèn)題。GZI6的電路原理圖如圖3.8所示。«"黑 ad5a5c4fM工-5WR«2£E £I21 / 40圖3.8控制器GZ16電路

33、原理圖汽車(chē):由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2）電容傳感器AD7745簡(jiǎn)介基于SigmaDeka轉(zhuǎn)換原理的AD7745,能在一顆芯片中完成從電容C到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，將先前采取分立元器件發(fā)雜的信號(hào)處理電路集中整合在一起，減少了雜散電容和高頻噪聲帶來(lái)的干擾，并且方便易用，降低成本。微控制器GZ16通過(guò)12c總線(xiàn)和AD7745通訊，包括其初始化設(shè)置、測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取等操作。本文專(zhuān)注于電容傳感器的油量測(cè)量應(yīng)用，直接將測(cè)量器件和控制器做在一塊PCB板上，實(shí)際上應(yīng)用12c總線(xiàn)通訊的AD7745為將來(lái)的油箱內(nèi)部控制的集成提供了可能。測(cè)量芯片AD7745為了減少分布電容的影響，必須和探頭做成-體，其只需通過(guò)12C總線(xiàn)便可和控制

34、器通訊.雖然12c總線(xiàn)并不象CAN/L1N總線(xiàn)那樣具有長(zhǎng)距離的抗干擾、容錯(cuò)特性，但其在較短距離上確實(shí)是可盆的，并旦根據(jù)12c總線(xiàn)協(xié)議，撥至可以使用控制器的兩個(gè)普通I/O口，就可以用軟件模擬的辦法實(shí)現(xiàn)通訊，而不必需要控制器本身帶有C模塊。AD7745的電路如圖3.9所示。由于AD7745的SDA和SCL引腳都是漏極開(kāi)路輸出結(jié)構(gòu)，所以力n上R9、R10均為10kC的上拉電阻減少其C總線(xiàn)空閑時(shí)的電流消耗。C17和C18都是電源和地之間的濾波電容，分別濾除有電源所引起的高頻和低頻噪聲。圖3.9AD7745外圍電路23 / 403)CAN收發(fā)器MC33388簡(jiǎn)介MC33388是Freescale公司推出

35、的專(zhuān)用于汽車(chē)車(chē)身控制的CAN物理接口片。該芯片抗干擾能力強(qiáng),工作溫度范圍寬，且具有一定的容錯(cuò)功能，十分適于環(huán)境較復(fù)雜的汽車(chē)電子應(yīng)用領(lǐng)域.它不但能檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤，且可對(duì)發(fā)生的錯(cuò)進(jìn)行全程監(jiān)控,并可在錯(cuò)誤消除后及時(shí)恢復(fù)正常工作。此外，MC33388在低耗模式下還具有很小的靜態(tài)電流。其電路原理圖如3.10所示。圖3.10MC33388電路4) LTN收發(fā)器MC33399簡(jiǎn)介L(zhǎng)IN(LocalInterconnectNetwork局域互連網(wǎng)絡(luò))是一種低成本的總線(xiàn)網(wǎng)學(xué)其最初的開(kāi)發(fā)目的在于彌補(bǔ)CAN總線(xiàn)的不足，主要用于汽車(chē)中某些對(duì)通信遂要求不高的場(chǎng)合，LIN總線(xiàn)作為CAN總線(xiàn)的輔助網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)絡(luò)使,用可以解次車(chē)

36、內(nèi)因?qū)Ь€(xiàn)過(guò)多所帶來(lái)的許多問(wèn)題。一個(gè)簡(jiǎn)單的LIN節(jié)點(diǎn)除了微控制器外，需要兩個(gè)芯片，即L1N接口芯片和+5V的電壓調(diào)節(jié)器。Frcescale公司的MC33：芯片是專(zhuān)用于UN的單線(xiàn)物理接口器件。該器件的功耗非常低，可控制外被壓器，安全符合LIN規(guī)范，抗干擾能力強(qiáng)，是種高性能的模擬器件，適任工作環(huán)境比較熨雜的汽車(chē)。圖3.11MC33399內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MC33399的LIN引腳用于完成單總線(xiàn)收發(fā)功能。TX引腳則用于控制UN引腳的輸出狀態(tài)，工作時(shí),這兩引腳的狀態(tài)始終保持一致。而RX引腳則可用來(lái)顯示LIN總線(xiàn)的狀態(tài)，LIN總線(xiàn)呈現(xiàn)高電平（隱性）時(shí)，RX為高；反之，L1N總線(xiàn)為低電平（品性）時(shí)，RX為低。RX輸

37、出為典型的CMOS推挽輸出結(jié)構(gòu)。由于其特定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)仄苹蛘唠娫催B接失敗時(shí)，將不會(huì)有反向電流從LIN總線(xiàn)進(jìn)入芯片內(nèi)部。MC33399允許Whke引腳輸入商壓?jiǎn)拘?，同時(shí)也可用Wake引腳由高到低或由低到高的兩種跳變喚醒，當(dāng)芯片進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，芯片將記錄下當(dāng)前Wake引腳的狀態(tài)。而當(dāng)電路檢測(cè)到Wake端相反狀態(tài)時(shí)，就認(rèn)為發(fā)生了喚醒事件。此外，芯片還內(nèi)置有噪聲濾波器，它能夠抑制總線(xiàn)高頻噪聲干擾，防止錯(cuò)誤喚醒。根據(jù)LIN協(xié)議，L1N通訊網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是“一主多從”形式,并且LTN通訊最大的一個(gè)特點(diǎn)是“單線(xiàn)通訊。其將汽車(chē)上的“地”的電位作為。將+12V（例如蓄電池的正極）的電位作為1。如圖3.12

38、和圖3.13,LIN通訊的主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)在電路上的區(qū)別在于：主節(jié)點(diǎn)的LIN引腳通過(guò)一個(gè)電阻和一個(gè)二級(jí)管上拉到+12V,而從節(jié)點(diǎn)LIN引腳則不需要。圖3.13L1N從節(jié)點(diǎn)電路圖3.12UN主節(jié)點(diǎn)電路汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片MC33970簡(jiǎn)介MC33970是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)含6個(gè)寄存器，由微捽制器的SP1寫(xiě)入命令狀態(tài)字，分別是配置/校準(zhǔn)寄存器、指針?biāo)俣燃拇嫔⒅干?/1位置寄存器、指針回零寄存器、歸零設(shè)置寄存器。本文選取SW1TEC公司的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器。其電路原理圖如3.14所示.圖3.14MC3397O電路原理圖第四章軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)綜述本文第三章重點(diǎn)論述了

39、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（參見(jiàn)圖3.7）可知，在傳感器的測(cè)量信號(hào)處理電路中，微控制器和電容傳感器AD7745通過(guò)I2C總戰(zhàn)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換：測(cè)量電路和結(jié)果顯示電路通過(guò)CAN總線(xiàn)或LIN總線(xiàn)通訊；結(jié)果顯示電路中微控制器的SPI向步進(jìn)電機(jī)駱動(dòng)芯片MC3397。寫(xiě)入命令狀態(tài)字，驅(qū)動(dòng)指針。由此可見(jiàn)，為了使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，苜先在軟件設(shè)計(jì)中將12cCAN/LIN,SP1通訊實(shí)現(xiàn)，使測(cè)量系統(tǒng)能夠運(yùn)作起來(lái)，然后在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)程序軟件實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)標(biāo)定、溫度補(bǔ)償算法、濾除液面抖動(dòng)算法等，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的所有功能。4.2.1I2C總線(xiàn)概述飛利浦公司（Philips）于20多年前發(fā)明了

40、一種簡(jiǎn)單的雙向二線(xiàn)制申行通信總線(xiàn)，這個(gè)總線(xiàn)被稱(chēng)為InteMC或者12c總線(xiàn).目前12c總統(tǒng)己經(jīng)成為業(yè)界嵌入式應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，被廣泛地應(yīng)用在各式各樣基于微控器的專(zhuān)業(yè)、消費(fèi)與電信產(chǎn)品中，作為控制、診斷與電源管理總線(xiàn)。多個(gè)符合12c總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的器件都可以通過(guò)同一條12G總線(xiàn)進(jìn)行通信，而不需要額外的地址譯碼器.由于I?C是一種兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，因此簡(jiǎn)單的操作特性成為它快速崛起成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵因素。4.2.2Fc總線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)連接12c總線(xiàn)只需要由兩根信號(hào)線(xiàn)組成，一根是串行數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA,另一根是串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL。一般具有12C總線(xiàn)的器件其SDA和SCL引腳都是漏極開(kāi)路（或集電極開(kāi)路）輸出結(jié)構(gòu)。因此實(shí)際使

41、用時(shí)，SDA和SCL信號(hào)線(xiàn)都必須要加上拉電阻Rp»Pull-UpResistor）,上拉電阻一般取值310KC，如圖4.1所示。開(kāi)漏結(jié)構(gòu)的好處是：當(dāng)總線(xiàn)空閑時(shí)，這兩條信號(hào)線(xiàn)都保持高電平，幾乎不消耗電流；電氣兼容性好，上拉電阻接5V電源就能與5V邏輯器件接口，上拉電阻接3V電源乂能與3V邏輯器件接口：因?yàn)槭情_(kāi)漏結(jié)構(gòu)，所以不同器件的SDA與SDA之間、SCL與SCL之間可以宜接相連，不需要額外的轉(zhuǎn)換電路。圖4.112c總線(xiàn)主從機(jī)連接示意圖I2C總線(xiàn)是雙向傳輸?shù)目偩€(xiàn)，因此主機(jī)和從機(jī)都可能成為發(fā)送器和接收器。如果主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),則主機(jī)是發(fā)送器，而從機(jī)是接收器；如果主機(jī)從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)，則主

42、機(jī)是接收器，而從機(jī)是發(fā)送器。12c總線(xiàn)的通信速率受主機(jī)控制，能快能慢.但是最高速率是有限制的，2C總線(xiàn)上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式（Standard-mode）卜燧快可達(dá)100Kb/s。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速度要求并不很高的場(chǎng)合，可以用微控制器的普通I/O口模擬實(shí)現(xiàn)I2C通訊，其中的關(guān)鍵是滿(mǎn)足Fc總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)序要求。4.2.3I2C總線(xiàn)的時(shí)序要求本文所用到的控制器GZ16由于本身并不帶有12c模塊，為了與AD7745通訊，可以使用GZ16的兩個(gè)普通I/O口模擬實(shí)現(xiàn)SDA和SCL功能，即根據(jù)12c協(xié)議，在兩個(gè)1/0口所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中按時(shí)序要求寫(xiě)入或者讀出數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)通訊.如圖4.2所示,12c總線(xiàn)時(shí)

43、序的起始條件為：當(dāng)SCL處于高電平期間時(shí)，SDA從高電平向低電平跳變時(shí)產(chǎn)生起始條件，總線(xiàn)在起始條件產(chǎn)生后便處于忙的狀態(tài)；停止條件為：當(dāng)SCL處于高電平期間時(shí)，SDA從低電平向高電平跳變時(shí)產(chǎn)生停止條件。總線(xiàn)在停止條件產(chǎn)生后處于空閑狀態(tài).廣人1-u二二起始條耗停止條耗圖4.212c總線(xiàn)起始、停止時(shí)序如圖4.3所示，數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA的電平狀態(tài)必須在時(shí)鐘線(xiàn)SCL處于高電平期間保持穩(wěn)定不變。SDA的電平狀態(tài)只有在SCL處于低電平期間才允許改變。某些其它的串行息線(xiàn)協(xié)議可能規(guī)定數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的邊沿（上升沿或下降沿）有效，而12c總線(xiàn)則是電平有效。圖4.312c總線(xiàn)電平狀態(tài)27 / 40汽車(chē):由位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)P

44、c總線(xiàn)不需要額外的地址譯碼器和片選信號(hào)。多個(gè)具有12c總線(xiàn)接口的器件都可以連接到同一條12c總統(tǒng)上，它們之間通過(guò)器件地址來(lái)區(qū)分。主機(jī)是主控器件，它不需要器件地址，其它器件都屬于從機(jī)，要有器件地址。必須保證同一條12c總線(xiàn)上所有從機(jī)的地址都是唯一確定的，不能有重復(fù)，否則尸C總線(xiàn)將不能正常工作。一般從機(jī)地址由7位地址位和一位讀寫(xiě)標(biāo)志（R/W）組成，7位地址占據(jù)高7位，讀寫(xiě)位在最后s讀寫(xiě)位是0,表示主機(jī)將要向從機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)；讀寫(xiě)位是1,則表示主機(jī)將要從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)。對(duì)于AD7745來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)操作的起始位地址是0x90,誠(chéng)操作的起始地址是0x91。4.3CAN通訊的實(shí)現(xiàn)4.3.1CAN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)概述

45、作為目前汽車(chē)車(chē)身主流的通訊網(wǎng)絡(luò)，CAN協(xié)議采用了15位CRC校驗(yàn)、位填充技術(shù)及完善的差錯(cuò)處理機(jī)制，有力地保證了數(shù)據(jù)通訊的可靠性。通訊價(jià)質(zhì)可采用廉價(jià)的雙絞線(xiàn)、性?xún)r(jià)比莪高的同軸電纜或高品質(zhì)的光纖。由于其良好的運(yùn)行特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，不但特別適合現(xiàn)代汽車(chē)各電子控制單元之間的互連通訊，而11也越來(lái)越受到其它業(yè)界的歡迎,并被公認(rèn)為最有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總戰(zhàn)之其特點(diǎn)可以概括如下°亂 CAN為多主結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)在總統(tǒng)空閑時(shí)均可以主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，而不分主從，通信方式靈活，而且不需要節(jié)點(diǎn)地址。 CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可針對(duì)不同的實(shí)時(shí)性要求對(duì)信號(hào)的優(yōu)先緩

46、進(jìn)行合理分配和定義，在IMpbs的位傳輸率下最高優(yōu)先級(jí)的消息最多在134做秒內(nèi)可發(fā)送到總線(xiàn)上。 CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù),當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)上發(fā)送消息時(shí)，29 / 40優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)退出總線(xiàn)，而優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省總線(xiàn)沖突種裁時(shí)間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。 CAN只需要通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、一對(duì)多及全局廣播等幾仲傳送接收數(shù)據(jù)方式，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的“調(diào)度”機(jī)制。配置簡(jiǎn)單方便。 CAN的直接通行距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率在5kbps以下)，通信速率最高可以達(dá)到1Mbps(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m)。 CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要

47、取決于總線(xiàn)的駛動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)：幀的標(biāo)識(shí)符(CAN2.0A)可達(dá)2032種，而擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符(CAN2.0B)可達(dá)上億個(gè)。 采用矩幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間較短、受干擾概率較低，具有很好的檢錯(cuò)效果。適用于復(fù)雜惡劣條件，滿(mǎn)足可靠性，安全性要求。 CAN的每幀信息中具有CRC校驗(yàn)及其他監(jiān)測(cè)措施，保證了數(shù)捌出錯(cuò)概率極低c滿(mǎn)足可靠性，安全性要求. CAN的通信介質(zhì)可以為雙線(xiàn)線(xiàn)、同軸電纜或光纖，從成本的角度考慮一般情況下選擇非屏蔽雙絞線(xiàn)。 CAN節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。滿(mǎn)足可毒性，安全性要求。4.3.2CAN總線(xiàn)信號(hào)特點(diǎn)CAN總線(xiàn)信號(hào)使用差分電壓傳送，

48、兩條信號(hào)線(xiàn)被稱(chēng)為摯AN(和孽AN_Lr；靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱(chēng)為J顯形”，此時(shí)，通常電壓值為：CANH=3.5V和CAN_L-1.5V.在CAN總線(xiàn)消息中，數(shù)據(jù)幀是最常見(jiàn)的消息類(lèi)型卜2】，由伸菽場(chǎng)(arbitrationfield)、數(shù)據(jù)字段(dataGeld)、CRC字段與確認(rèn)字段(acknowledgementfield)構(gòu)成.當(dāng)兩個(gè)或更多節(jié)點(diǎn)爭(zhēng)用總線(xiàn)時(shí)，仲裁場(chǎng)決定消息的優(yōu)先級(jí)。對(duì)CAN2.0A而言，仲裁場(chǎng)包括H位標(biāo)識(shí)符與RTR位(其就數(shù)據(jù)幀為顯性).而對(duì)CAN2.0B而言，其包括29位的標(biāo)識(shí)符與RT

49、R位。隨后是數(shù)據(jù)字段與CRC字段，前者包括0到8字節(jié)的數(shù)據(jù)，后者包括用于錯(cuò)源檢測(cè)的16位校驗(yàn)和。最后是確認(rèn)字段。任何可正:確接收消息的CAN控制器都發(fā)送顯性ACK位,它將覆蓋正確消息傳佛結(jié)尾處已傳輸?shù)碾[性位，發(fā)送器檢查是否存在顯性ACK位，如果未檢測(cè)到確認(rèn)，則將再次傳輸消息，確保數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性.4. 3.3CAN通訊數(shù)據(jù)場(chǎng)協(xié)議根據(jù)本文的實(shí)際情況，測(cè)量電路向總線(xiàn)上發(fā)送的數(shù)據(jù)量并不大，宜采用短幀汽車(chē)油位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間較短、受干擾概率較低.具有很好的檢錯(cuò)效果，適用于第雜惡劣條件.滿(mǎn)足可靠性，安全性要求。CAN每一幀消息其數(shù)據(jù)場(chǎng)有8字節(jié)，本文是按照表4.1所確定的通訊協(xié)議分配該8字節(jié)長(zhǎng)

50、度數(shù)據(jù)場(chǎng)的。表4.1一頓消息的數(shù)據(jù)場(chǎng)字節(jié)分配13字節(jié)46字節(jié)78字節(jié)測(cè)量電容值測(cè)量溫度值保留以備擴(kuò)展油量到量結(jié)果的發(fā)送實(shí)時(shí)性要求并不高，本文采用號(hào)1秒鐘向總線(xiàn)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，足以滿(mǎn)足指針顯示電路的要求，并且對(duì)車(chē)身網(wǎng)絡(luò)總統(tǒng)資源占用極小。4.4 LIN通訊實(shí)現(xiàn)除了使用CAN總線(xiàn)發(fā)送測(cè)量結(jié)果外，本文也嘗試采用LIN(LocalInterconnectNetwork)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同樣的功能，這樣電容傳感器的使用者可以在兩種通訊接口之間進(jìn)行合理的選擇。4.5 .1LIN總線(xiàn)的特點(diǎn)LIN總線(xiàn)的方案是由眾多汽車(chē)制造商和半導(dǎo)體公司創(chuàng)建的，其目的是為了找到更低成本的子總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò).作為使用廣泛的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的輔助。

51、LIN網(wǎng)絡(luò)是基于主從結(jié)構(gòu)的，使用單級(jí)通訊，減少了大量線(xiàn)束的重量和費(fèi)用。LIN是這種低成本的出行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線(xiàn))提供鋪助功能，因此LIN總線(xiàn)是一種軸助的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。在不需要CAN總線(xiàn)的帶寬及復(fù)雜性的低速系統(tǒng)，如開(kāi)關(guān)類(lèi)負(fù)載或位置型系統(tǒng)包括車(chē)的后視鏡、車(chē)像、車(chē)座椅、車(chē)窗等的控制，使用LIN總線(xiàn)可大大節(jié)省成本.MN在硬件和軟件上保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互操作性并有可預(yù)測(cè)EMC的功能。LIN總統(tǒng)的主要特性有燈：?jiǎn)沃鳈C(jī)多從機(jī)基于普通UART/SCI接口的低成本硬件實(shí)現(xiàn),從機(jī)節(jié)點(diǎn)不需要石英或陶瓷諧振器可以實(shí)現(xiàn)自同步 保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間 低

52、成本的單線(xiàn)設(shè)箸. 速度最高達(dá)20kbit/s可見(jiàn)，雖然LIN總線(xiàn)不具有CAN總線(xiàn)的帶寬，但其通訊速率足以滿(mǎn)足木文設(shè)計(jì)的傳感器數(shù)據(jù)傳送的要求，井且其具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，有利于降低本傳感器系統(tǒng)的總成本。4.4.2LIN網(wǎng)絡(luò)報(bào)文特點(diǎn)一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成。所有節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)從通訊任務(wù)，該通訊任務(wù)分為發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)，主節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)主發(fā)送任務(wù)。一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)上的通訊總是由主發(fā)送任務(wù)所發(fā)起的主控制器發(fā)送一個(gè)起始報(bào)文，該起始報(bào)文由同步斷點(diǎn)、同步字節(jié)消息標(biāo)志符所組成,相應(yīng)的，在接受并且濾除消息標(biāo)志符后，一個(gè)從任務(wù)被激活并且開(kāi)始本消息的應(yīng)答傳輸，該應(yīng)答由2/4/8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和一個(gè)校驗(yàn)

53、碼所組成，起始報(bào)文和應(yīng)答部分構(gòu)成一個(gè)完整的報(bào)文幀，如圖4.4所示qSync中版Sync均掾源行rtfi外fi同喇口口！口口口n相為報(bào)文械圖44LIN報(bào)文幀格式LIN總線(xiàn)使用單信息幀格式對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步和尋址，井在它們之間交換數(shù)據(jù)。主機(jī)定義傳輸?shù)乃俾什l(fā)送。4.4.3LIN通訊數(shù)據(jù)場(chǎng)協(xié)議在本文中，顯示電路作為主節(jié)點(diǎn)，測(cè)量電路作為從節(jié)點(diǎn)。在總統(tǒng)上發(fā)送的信息有長(zhǎng)度可選的固定格式，每個(gè)報(bào)文幀都包含2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場(chǎng)。本文同樣按照表4.1的協(xié)議，每幀LIN消息同樣采用8字節(jié)數(shù)據(jù)場(chǎng)發(fā)送測(cè)量的電容值和溫度值以及保留擴(kuò)展位。4.5SPI通訊簡(jiǎn)介SP1（serialperipheralinterfece舉行外

54、圍設(shè)備接口）是一，種全雙工、高速、同步的通信總線(xiàn)，且簡(jiǎn)單易用。越來(lái)越多的應(yīng)用芯片內(nèi)部都集成有SPI總線(xiàn)，如Frecscalc系列8位單片機(jī)。其具有兩種操作模式：主模式和從模式。在主模式和從模式中，均支持高達(dá)3Mbit/s的速率，還具有傳輸完成標(biāo)志和寫(xiě)沖突保護(hù)標(biāo)志。具體通過(guò)SPI設(shè)置MC33790驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的駁動(dòng)，參見(jiàn)源程序清單。第五章試驗(yàn)溫度變化對(duì)機(jī)械尺寸的影響溫度變化能引起電容式傳感器各組成零件的幾何尺寸改變，從而導(dǎo)致電容極板間隙或面積發(fā)生改變，產(chǎn)生附加電容變化。這對(duì)變間隙電容式傳感器來(lái)說(shuō)顯得很重要，因?yàn)橐话闫溟g隙都取的很小，約幾十微米到幾百微米之間。溫度的變化使各零件尺寸改變，可能導(dǎo)致木

55、來(lái)就很小的間隙產(chǎn)生很大的相對(duì)變化，從而引起很大的特性溫度誤差C對(duì)于此，文獻(xiàn)5提出的建議認(rèn)為：溫度誤差與組成零件的幾何尺寸及零件材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)有關(guān)。在結(jié)構(gòu)段計(jì)中，應(yīng)當(dāng)盡量減少熱膨脹尺寸鏈的組成環(huán)節(jié)數(shù)目及其尺寸；另一方面要選用膨脹系數(shù)小，幾何尺寸穩(wěn)定的材料.汽車(chē)油箱傳感器的溫度變化范圉一般在一20C+50C,制作傳感器機(jī)械部件所使用的黃銅和聚四籟乙烯材料，在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)由于材料熱膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械尺寸的變化微小，所帶來(lái)的附加電容可以忽略不計(jì)，溫度變化對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響溫度變化還能引起電容板板間介質(zhì)介電常數(shù)的變化，使傳感器電容改變，帶來(lái)溫度誤差.溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異。對(duì)于以空氣或云

56、母為介質(zhì)的傳感那來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)誤差很小,一般不需考慮。但在電容式液位計(jì)中，燃油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)達(dá)0.07%，因此如環(huán)境溫度變化±50匕，造成的誤差將達(dá)7%,這樣大的誤差必須加以補(bǔ)償。燃油的介電常數(shù)©隨溫度升高而近似線(xiàn)性地減小,其關(guān)系如下：35 / 40(5.I)式中：一起始溫度下燃油的介電常數(shù)；溫度改變時(shí)的介電常數(shù)；解燃油介電常數(shù)的溫度系數(shù)（對(duì)于煤油汝工-0.000684/r?）.對(duì)于同心圓柱式傳感器，在液面高度為H時(shí)，由干溫度變化使昌改變.引起電容量的改變?yōu)?5.2)上式說(shuō)明47,既與人。=£旭如"成比例，還與液面高度H有關(guān)，即ACraZ/A153作為電容傳感器的解決方案，AD7745在測(cè)量電容的同時(shí)，在片內(nèi)還提供了一個(gè)溫度傳感器，其精度為0.1'C，最大誤差為拉七，其溫度測(cè)量結(jié)果也是以3字節(jié)（24bit）十六進(jìn)制數(shù)據(jù)在12c接口上輸出：溫度t（瓣）=就一4096（5.4）由式（5,2）可以計(jì)算溫度由一200C升高到50C,在滿(mǎn)量程下，所產(chǎn)生的附加電容為AC=x3x1x(-0.0007)乂(50+20)(5.5)(5.6).R210.1in-in*、Ri0.02=L2pF其誤叁率4掾可見(jiàn)，在汽車(chē)使用的溫度范圍中，由于溫度變化所帶來(lái)的傳感隅測(cè)量誤差最大可達(dá)6%左右。所以在標(biāo)定過(guò)程中，還應(yīng)將溫度變化引起的附加