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模拟量采集模块设计

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模拟量采集模块设计
2020-11-06 10:55:34 阅读:21 发布人:纵横智控

前言:

针对工程车辆中模拟量采集种类多样化和复杂化问题,设计了一种可配置的模拟量采集模块。该模块应用于一款基 于飞思卡尔32位微处 理 器 MPC5646B 的通用车载控制器中。详细介绍了其硬件设计方案,阐述了其可配置原理。运 用 VC6.0中的 MSComm 控件,在上位机中设计了用户配置界面,将配置好的参数存储到微控制器的 Dataflash中。最后,对 电 压、电流和电阻3种类型的模拟量进行采集和补偿,整体采集精度控制在5‰以内。测量结果表明,该模块可配置性和通用性 很强,具有良好的测量精度。

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背景:

随着汽车对控制系统的要求和依赖性提高,A/D 采 集模块成为汽车控制器中重要的组成部分。一 般 工 程 车辆中的模拟量输入主要有电阻型(如油位传感器)、电流 型(一般为4~20mA,如压力变送器)、电压型(如电瓶电 压采集)3种。但是不同的工程车辆因为应用场合的不 同,需要的采集的模拟量类型与数量都有所不同,因此控 制器的模拟量输入模块需要具有一定的可配置性才能应 用于不同的工程车辆中。例如,在一个工程机械系统中需 要采集4路模拟量信号,其中2路为电压信号,电流、电阻 型各1路;另外,一个系统也是4路模拟量信号,但都是电压型信号;这时一般需要分别对2个系统使用功能定制的 控制 器,但如果在控制器中加入可配置的模拟量采集 模 块,只需要在软件中进行不同功能的配置,就可以同时满 足2个系统的需求,增强了系统的灵活性。

本文设计的16路可配置的模拟量采集模块,很好地 解决了上述问题。该模块的 A/D 转换通道基于控制器主 芯片 MPC5646B的12位逐次逼近型模数转换器(ADC), MPC5646B为freescale32位 Qorivva系列微控制器,采用 PowerArchitecture? 技术构 建,适 用 于 汽 车,面 向 发 动 机 管理应 用、车 身 控 制、网 关、安 全 性、底盘和驾驶员信息应用。

硬件电路设计

(1)可配置性原理

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可配置性原理,如图1所示。本设计针对工程车辆中 常见的模拟量,将电压类型的模拟量划分为6个量程:0~ 5V、0~10V、0~15V、0~20V、0~24V、0~32V,电流 类型的模拟量划分为2个量程:0~10mA、0~20mA,电 阻类型的模拟量划分为3个量程:20~100Ω、20~500Ω、 20Ω~10kΩ。 实际应用中,不同车辆根据需要,将图1中16路输入 配置为上述3种不同类型、不同量程的模拟量采集通道。 

(2)硬件设计原理 如图2 所 示,模拟量采集共有 16 个 通 道 AIN1~ AIN16,通过2片多路选择器 U1 和 U2 级联。U3 和 U4 为 模拟量测量可配置模块,其中,U3 的 S1~S6对应电压测 量的6个量程,S7~S8对应电流测量的2个量程,U4 的 S3~S5对应电阻测量的3个量程。多路选择器 ADG5408 的使能端 EN 和地址线 A0、A1和 A2由主芯片的I/O 口 输出电平。输入的模拟量经过调理后输入 MPC5646B 的一个12位 A/D口进行转换。

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(3)模拟多路选择芯片 ADG5408 ADG5408是 AnalogDevice公司的单芯片 CMOS模 拟多路复用器,通过汽车应用认证。内置8个单通道,根 据3位二进制地址线 A0、A1和 A2所确定的地址,将8路 输入之一切换至 公 共 输 出。采 用 9~40V 单 电 源 供 电, 输入信号范围可扩展至电源电压范围。本设计采用32V 供电,从而满 足 最 大32V 的 电 压 测 量。导 通 电 阻 曲 线 在 整个模拟输入范围都非常平坦,低 导 通 电 阻 为 13.5Ω。极小的通道漏电流,-40~+85°C通道接通泄露最大为4 nA,通道间的影响几乎可以忽略。

(4)主芯片的 A/D模块简介 MPC5646B的 A/D部分包括10位和12位精度,2个 模块都是独立供电,芯片 ADR02为 A/D 公司生产的5V 精密基准电 压 源,为 A/D 模 块 提 供 5V 基 准 电 压[6]。12 位 A/D通道共有16个高精度通道和13个标准通道,每 个通道都有专用的转换结果寄存器,本设计中采 用12位精度的 A/D中的高精度通道。

(5)电路功能详解

①电压测量功能

一般 工 程 车 辆 中,电 压 最 高 可 以 达 到 32 V,而 MPC5646B的 ADC模块为5V供电,所以必须进行分压才 能输入 A/D口。图2中,U3 的S1~S6连接了6个分压电 阻R1~R6,依次对于0~5V、0~10V、0~15V、0~20V、 0~24V、0~32V6个量程,电压采样电阻选用高精度低温 漂的类型[8],10kΩ 电阻R0 为公用分压电阻,分压后连到 MPC5646B的 A/D口。可以根据工程车辆中需要采集的 电压范围配置到相应量程。如车辆 A的 AIN1通道需要配 置0~20V,则选通 U1 的S1通道和 U3 的S4通道。

②电流测量功能

A/D口不能直 接 测 量 电 流,所以要通过电阻转化成 电压。如图2所示,U3 的S7和S8连接了2个电阻,依次 对应0~20mA、0~10mA2个电流量程。此时测电压时 的分压电阻R0 因电阻很大,分流作用几乎可以忽略,在电 流测量时可看成导线。如车辆 B的 AIN7通道需要配置 到0~20mA,则选通 U1 的S7通道和 U3 的S7通道。

③电阻测量功能

由于电阻是无源物理量,所以测电阻需要内部连接一个 电源并串联一个已知电阻分压。如图2,U4 的S3、S4、S5通道 接上60Ω、270Ω和1kΩ的电阻,分别对应20~100Ω、20~ 500Ω、20~10kΩ3个量程。如车辆C的 AIN15通道需要配 置到20~500Ω,则选通 U2 的S7通道和 U4 的S4通道。

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