汽车油位检测系统的设计

1、汽车;由位检测系统的设计南通纺织职业技术学院汽车油量检测系统的设计专业：机电一体化姓名：何张鹏学号:指导老师：张惟兵2011年n月目录摘要错误!未指定书签。第一章绪论错误!未指定书签。L1课题的来源与背景错误!未指定书签。笫二章电容测量的物理原理和方法概述错误!未指定书签。一、电容式传感器分类错误!未指定书签。2变介电常数式电容传感器的适用领域错误!未指定书签。3.变介电常数式电容特性曲线、灵敏度、非线性错误!未指定书签。4、电容传感器的等效电路错误!未指定书签。5、典型的电容检测方法错误!未指定书签。第三章结构设计与电路硬件设计错误!未指定书签。第四章软件设计错误!未指定书签。笫五章试验错误

2、!未指定书签。3 / 40汽车油位检测系统的设计摘要汽车传感器是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。随着电子技术的发展和汽车电子控制系统应用的日益广泛，微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车用传感器的主流。本文研究应用变介电常数式电容传感器实现汽车油箱油量的测量，并设计、制作电容传感器的产品类型，试验分析并研究解决在实际使用条件下的一些问题。首先分析比较了各种电容测量电路的特点，介绍根据£一模数转换原理设计的电容测量器件AD7745,然后计算电容探头在燃油中所产生的物理效应，据此设计电容传感器的机械结构，设计测量信号处理电路以及测量结果显示电路的硬件

3、和软件。最后讨论电容传感器在轿车邮箱中的标定方法，电容测量的温度补偿，滤除液面抖动以及传感器故障诊断等问题。电容式油量传感器相比于传统的浮子式油量传感器，其显著的优点在于取消了机械传动机构，结构紧凑、体积较小。关键词：汽车油箱，变介电常数式电容，传感器，E一模数转换5 / 40汽车;由位检测系统的设计第一章绪论1.1课题的来源与背景现代汽车设计为了追求最佳的零部件总布置，各大汽车生产商都无一例外地采用三维数字化设计，力求合理、紧凑地布置零部件，使空间得到最有翠的利用。轿车的燃油箱在生产工艺上主要是采用吹塑加工，其吹塑模具比加工板金件的金属模具要廉价很多，而且塑料的易流动性也保证能较容易地加工出

4、异型件。利用这个特点，燃油箱往往是整车总布置设计中最后完成的零件。在布置好其他零部件的空间位置后，剩下留给放置燃油箱的空间往往是异型的，为了获得较大的载袖量，乂必须尽可能多地利用这个不规则的一间，所以油箱外形通常是没有什么规则的异型，而且各款轿车的油箱形状通常也不尽相同。图1.1的儿张实物图片是使用在上海大众桑塔纳普通型轿车上的燃油箱（容积60升左右、轿车油箱的异形特点由此可见一斑。图L1汽车油箱实物图异型油箱有效地利用了车身空间，载油量变大，但是要比较精确地测量内部的载油量就不容易。现有的测量装置采用传统的浮子式液位传感器，其基本敏感元件为浮子，.结构示意图如1.2所示。将敏感元件机械量的变

5、化转化为电信号的检测手段主要有两类:一类是用滑动电位器为基本检测元件，目前生产的中低档汽车多采用此类检测元件。如图1.3所示，它是由浮子通过连杆带动电位器，其阻值变化改变电路中的电流大小,从而改变线圈的磁场?虽弱，决定指针的偏转角度。简言之即是利用欧姆表检测电位器阻值，从而达到显示油位的目的。但当油垢覆盖电位器后，其阻值会发生变化，造成误差太大，甚至不能使用，使此类油箱传感器成为寿命很短的易损件。另一类是用电感线圈为基本检测元件，例如现在生产的高档汽车多采用此类检测元件。它是用浮子带动电感线圈，改变振荡电路的振荡频率，再通过频率计检测其频率来测定油位。但其结构复杂，调试麻烦，成本高，价格贵，不

6、能被广泛使用5 / 40汽车油位检测系统的设计浮广式燃油传感器的机械运动部件比较多，例如滑动变阻器式检测元件需要连杆通过钱链驱动滑动触点在变阻器上移动，在汽车油箱恶劣的使用环境中，机械运动部件容易磨损而导致传感器失另mi寺续有效。复变化和其体积的变化并不成线性关系，人现有的测量方法通常有比较大的误一般用1/1、1/2、。分别表示满油、半箱油图1.4油量表刻度：松散，不精确。驾驶员由于仪表盘上燃油表的指示不够精确，常常在估计燃油余量时发生较大误差。有时估计值大于实际余量值，而不及时加油，常常在公路行车过程中由于燃油耗尽而抛锚；有时估计值小于实际余量值，在加油站常常加油过多以至燃油溢出油箱加袖口。

7、这些情况的发生或多或少地存在一些安全隐患。本文研究也容式传感器的技术路线是：使用电容作为电场传感器的敏感元件，对轿车异型燃油箱的油量进行测量，通过硬件电路和微控制器处理数据后，通过车身局域网总线将测量结果传送至仪表盘，通过步进电机驱动指针将油箱中燃油量指示出来。3标是设计、制作一个接近产品化的实物传感器，并与实际燃油箱匹配。典卷式传感密的电珞站构植把及""*制I电机*豕心盟q*»'第二章电容测量的物理原理和方法概述一、电容式传感器分类电容式传感器的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构参数之间的关系。由物理学可知，电容器的电容是构成电容器的两极板形状、大

8、小、相互位置及电介质介电常数的函数。以最简单的平板电容器为例（如图2.1，当不考虑边缘电场影响时，其电容量（：为JH8式中* £介质的介电常数；极板的面积，极板间的距离：连存七场图2. L平板电容器由2,0式可知，平板电容器的电容是5,5,飞勺函数，即（“，（"53“电容式传感器的工作原理正是建立在上述关系之上的。具体地说，如将上极板固定，而下极板与被测运动物体固连，当被测运动物体上、下移动（使&变化）或左、右移动（使37 / 40汽车:由位检测系统的设计变化）时，将引起电容的变化。通过一定测量电路可将这种电容变化转化为电压、电流、频率等电信号输出。标定后，根据输出

9、信号大小，即可测定运动物体位移大小。如果两极板均固定不动，而极板间的介质状态参数发生变化致使介电常数产生变化时（如介质在极板中间的相对位置、介质的温度、密度、湿度等参数发生变化时，.均能导致介电常数的变化），也能引起电容变化，故可据此测定介质的各种状态参数，如介质在极板中间的位置、介质的湿度、密度等。总之，只要被测物理量的变化能使电容器中任一参数产生相应变化而引起电夸变化，再通过一定的测量电路将其转换为有用的电信号输出，即可根据这种输一信号大小来判定被测物理量的大小，这就是电容式传感器的基本工作原理。电容式传感器根据其工作原理不同，可分为变间隙式、变面积式、变介电常数式三种。按极板形状不同有平

10、板和圆柱形两利产。变间隙式一般用来测量微小的线位移（小至0.01微米零点几毫米）；变面积式则一般用来测角位移（自一角秒至儿十度）或较大的线位移；变介电常数式常用于固体或液体的物位测量，也用与测定各种介质的湿度、密度等状态参数。本文设计的汽车油薰传感器就是应用变介电常数式电容传感原理。2、变介电常数式电容传感器的适用领域电容式液位传感器是将非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有许多突出的优点；结构简单、动态响应好、灵敏度高-、分辨率高、体积小、高频特性好，并能在高温辐射和强烈振动等恶劣环境下工作等，所以它被广泛应用于各种液位测量中。电容液位传感器的电极结构如图22所示。图22。）适用于

11、导电容器中的绝缘液体的液位测量，且容器为立式圆筒形,容器壁作为一极,沿轴线插入裸金属棒作为另一极，电极其间构成的电容（'与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导线作为一个电极汽阁22（广适用于导电液体或对金属电极有腐蚀性的液体测量中。插入待测液体中的电极表面有不导电或防腐蚀镀层，计算测得的电容，只需将镀层所带来的影响去掉即可,图22（0适用于非金属容器，用绝缘支架套装内外两层金属套筒，套简上下开口或整体上均勾分布多个孔，使内外液位相同，内外套筒构成两个电容电极，其电容和容器形状无关，只取决于液位高度。若待测液体不导电且对电极无腐蚀,可直接将金属套筒插入进行测量：若为导电液体或有腐蚀性，可以用

12、220-,图2,2/野鸣传感器的电极结构汽车;由位检测系统的设计中提到的表面加镀层的方法进行处理。这种测量方式由于内外套简的间距不大，对于含有颗粒麴的液体测量漏量，容易产生滞留物在极间，可以用装滤网的办法加以解决。汽车燃油（汽油或柴油）是具有电气绝缘性能的液体混合物，粘度低、流动性好挥发性强；而且汽车油箱是用不导电的高性能塑料通过吹塑加而成，根据汽车上的使用情况，采用第三种电极方式是合适的。3.变介电常数式电容特性曲线、灵敏度、非线性电容式液位计所使用的电容式传感元件属于变介电常数式。当被濒液体的液面在电容式传感元件的两同心圆柱形电极间变化时，引起极间不同介电常数介质的高度发生变化，因而导致电

13、容变化，如图2.3所示，其输出电容与液面高度的关系为图2.3内外套筒式电容器9 / 40汽车油位检测系统的设计27reo(h x)RiR2五7In2兀£uh 2tf(ex - eo)x式中：£i液体介质的介电常数(F/M)；&。空气的介电常数F/MMh电极板的总氏度；R1内极板的外径；R2外极板的内径；# / 40汽车油位检测系统的设计图2.4变介电常数式电容特性曲线由22式可知，输出电容（：将与液面高度I成线性关系。变介电常数式电容特性曲线如图24所示。由式可见，影响灵敏度的参数是内极板的外径化！和外极板的内径广之比值,当R2和R1比值越小，其灵敏度越高，意味着内

14、外套筒的间距越小灵敏度也好。但受电容器击穿电压的限制以及介质发生挂壁现象的趋势，而且增加装配工作的困难，因此这个差距应该控制在一个最优化的范围。本文在后面的章节中将会论述如何根据实际情况设计化，液面高度与油箱中的油量关系是非线性的，为了获得电容输出与油量的线性关系，必须使电容与液面高度成非线性关系，通常的方法是在一个圆柱形极板上开些缺口圜，此时电容式传感元件的特性将是非线性的，其示意图如图25所示。图2.5非线性电容传感元件“2 6另一种变介由常数式电容11/40另种变介电常数的电容式传感器的原理图见图26c当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质常数之间的关系为EoS6 -十式中：d运

15、动介质的厚度（m"其他符号意义同前。由上式可见，当运动介质的厚度4保持不变而介电常数&改变，如湿度变化,电容将产生相应的变化，据此可做成介电常数一的测试传感器，如湿度传感器。反之，若&不变，则可傲成测厚传感器.4、电容传感器的等效电路绝大多数电容式传感器均可用一纯电容来表示。在高频下（如几兆赫、即使电容很小，损耗一般亦可忽略。在低频时，其中损耗可用并联电阻&来表示（图28）,它代表直流漏电阻、电极绝缘基座中的介质损耗和在极板间隙中的介质损耗等。对空气介质电容器来说，其损耗一般可以忽略；对固体介质来说，显然损耗与介质性质有关。件计算式均未考虑由场的访绥效应.他宓

16、际由容量用28电容传感等用电路.产'加 3rLN*42图如 7带有防护环的由公据汽车;由位检测系统的设计但在高频情况下，电流的趋肤效应将使导体电阻增加阳，因此图中几代表导线电阻、金属支座及极板电阻。此时，连接导线的电感亦应考虑，图中以L表示。AC AC一 I ZSSC, CX-cLC)对于任一谐振频率以下的频率，由于乙的存在，传感器的有效电容。将增加八0,有效电容的相对变化也将增加，因此测量时必须与校准时处在同样条件下，即电缆长度不能改变。在电容式传感器的设计和使用过程中，要特别注意防止寄生电容的干扰。由于电容式，感器本身电容量很小，仅几十皮法、甚至儿皮法，因,传感器受寄生电容干扰问题

17、非常突出。这个问题解决不好，将导致传感器特'性严重不稳，甚至完全无法JJ乍。在任何两个导体之间均可构成电容联系，因此电容式传感器除了极板间的电容之外，极板还可能与周围物体（包括仪器中各种元件甚至人体）之间产生电容联系。这种附加的电容联系，称之为寄生电容。寄生电容使传感器电容量改变。由于传感器本身电容量很小，再加上寄生电容乂是极不稳定的，这就会导致传感器特性的不稳定，丛而对传感器产生严重干扰。为了克服这种不稳定的寄生电容联系，必须对传感器及其引出导线采取屏蔽措施，即将传感器放在金属壳体内，并将壳体接地，从而可消除传感器与壳体外部物体之间的不稳定的寄生电容联系。传感器的引出线必须采用屏蔽线

18、，II应与壳体相连而无断开的不屏蔽间隙，屏蔽线外套同样应良好接地。但是，对电容式传感器来说，这样做依然存在所谓的电缆寄生电容问题：1.屏蔽线本身电容量大，最大每米可达上百皮法，最小的亦有儿皮法。由于电容式传感器木身电容量仅几十皮法甚至还小，当屏蔽线较长且其电容与传感器电容相并联时，传感器电容的相对变化量将大大降低，也就是说传感器的有效灵敏度将大大降低。2,尤为严重的是，由于电缆本身的电容量随放置位置和其形状的改变而有很大变化，这样将使传感器特性不稳，严重时，有用电容信号将被寄牛.电容噪声所淹没，以至传感器无法工作。电缆寄生电容的影响，长期以来一直是电容式传感器难于解决的棘手的技术问题，阻碍着它

19、的发展和应用。目前微电子技术的发展，已为解决这类问题创造了良好的技术条件。一种可行的技术方案是将测量线铭的前级或全部与传感器组装在一起，构成整体式或有源式传感器，以便根本消除长电缆所带来的寄生电容的影响。基于上述考虑，本文所设计的电容探头和信号处理电路板安装焊接在一起，一方面能有效地减少由于导线电缆所带来的杂散电容的影响，另一方面考虑到生产过程中的质量稳定性，探头和处理电路做在一起，可以保证在生产和安装过程中所产生的附加电容能被有效地控制，而不必修改标定后所得到的参数以及程序。# / 40汽车油位检测系统的设计5、典型的电容检测方法电容式传感器将被测物理量变换为电容变化后，必须采用信号处理电路

20、将其转换为电压、电流或频率信号。电容式传感器的测量电路种类很多，典型的测量电路主要有以下几种。交流电桥法双T二级管式电路差动脉宽调制电路运算放大器式电路下面分即简亚/次冬测信由四的T作面神.赴日任合若本.卜仲田交际枯冲.-评述1、:阻电见移上已变压器式桥路的等效电路图如阁210所示。图中Cl、C2可以是两个差动电容器，也可使其中之一为固定电容器，另一为电容式传感器；ZF为放人器的输入阻抗,一般可取ZF上的电压降即为电桥输出电压U。设在起始时，下面来求U与传感器电容Cl、C2及电路其他参数的关系式。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汽车油位检测系统的设计可见，当输出与(C1-C2)/(C1+C2)成比例时,即使对变间隙电容式传感器来说，输出也将与输入位移成理想线性关系。对变压器式电桥来说，只有当放大器的输入阻抗为无限大时才能做到。以上所述为不平衡电桥电路，它的输出均与供桥电压成比例。电源电压的不稳定将直接影响测量精度。对于不平衡电桥，传感器必须工作在小偏离情况下，否则电桥非线性将增大。15 / 40汽车:由位检测系统的设计平衡电桥以电桥桥臂的平衡条件为基础，这种平衡条件与电源电压无关，因此测量将不受电源电压波动的影响，而电桥输出

22、一般具有线性特性。采用自动平衡电桥线路也能实现自动测量、远距传输以及多信号输出等要求。飞机上的电容式油量传感器就是使用这种检测方法的。第三章结构设计与电路硬件设计3.2 电容测量芯片简介在本文第二章中提到：在集成电路高速发展的今天，面对小电容的测量，很多半导体技术生产供应商业已给出了许多解决方案。目前，美国模拟器件公司发布了一款基于Sigma-Delta(S-A)原理的高精度、完全集成的电容数字转换器(CDC)AD7745,从而解决了从电容到数字直接转换的复杂而困难的信号处理难题。这款CDC将先进的信号处理技术和高集成度制造工艺相结合，达到了以前只能通过大量的分立元件支持传统的模拟电压数字转换

23、器才可能达到的精度水平,# / 40汽车:由位检测系统的设计这款单芯片、高精度的电容数字转换器（CDC）AD7745在一颗芯片上集成了电容到数字转换的所有电路，降低了设计难度和外部元件成本,方便易用，有效地降低了硬件和软件开发成本，集成度很高，能够将测量探头和信号处理电路做在一起，去除了连接电缆所带来难以控制的杂散电容的影响，从而根除了传统电容传感器的限制，拓展了电容传感器的使用范围。AD7745是软件可配置的，软件可设置的输出数据速率可以在5HZ到90HZ之间变化。以16.6HZ输出数据速率工作，可以同时抑制50HZ和60IIZ的信号»其具有高分辨率（24BIT分辨率）、低噪声以及

24、低功耗（0.7mA电流消耗）和全系列片内模拟功能相结合，其属于工业级芯片，能跟在一40（+1259温度范围正常工作，完全满足汽车使用的温度条件。同时，AD7745内部还有一个温度传感器，周期性对环境温度采样测量，通过软件可以校准由于环境温度变化所带来的电容测量误差。AD7745通过2线12c串行接口和微控制器通讯，进行芯片初始化设置和测量结果的发送。这些功能的结合非常适合于要求填小的功耗和印制电路板（PCB）面积的场合。AD7745OKSTAL.HLTfift4£XCAexes图3JAD7745电路结构图回AD7745的内部电路结构f如图3.1。这是一款典型的基于Sigma-Delt

25、a（I一A）原理的模数转换器件。待测电容的两端分别接入EXC（激励）和CIN（输入）口，在EXCA/B端口由芯片内部产生32KHz的方波激励待澜电容，芯片内部模块对从CIN1端口输入的反馈信号进行积分比较、数字滤波等一系列数字信号处理，将测!量结果从产c端口以数字量输出。在AD7745内部还带有一个基于参考电压比较的数字温度传感器，通过软件配置，片上温度值也能通过12c端口以数字量输出。此芯片内部温度传感器的测量范围是一40C+125(,经过校准后，其精度是±2Ca由于AD7745耗电量很低，仅为0,7mA的电流，即最大在+5V供电电压下的功耗仅为3.5mW,在3.3V低电压供电下甚

26、至只有2.3mW。如此低功耗保证了该测量芯片本身几乎没有什么发热量，其内部温度传感器所测值能够作为环境温度值，而进行电容测量的温度校正。AD7745的测量范围是08pF,可以通过软件进行配置，达到最大偏置量后，可测擞1321pF范围的电容变化。这个范围也是设计电容探头机械结构尺寸的依据，当电容探头放入燃油中所产生的电容变化,应该落在此测量芯片可测范围中。3.3 结构尺寸约束根据测量信号处理器件AD7745的量程，确定电容探头的结构尺寸。本文采用了内外圆柱套简式电容，其电场建立在内外套筒之间，相比较于两平行极板构成形式的电容，这种结构能够在最大程度上减小正负极板的电场边缘效应，因为其只在轴向方向

27、上的上下端存在电场边缘效应，较之平行极板形式的电容四面均存在电场边缘效应，这种双套筒形式要优化许多，且其在径向方向上形成封闭电场，在该方向上抵抗外电场干扰能力比较强,EMC特性较好。图3.2内外圆柱套筒式电容探头示意图19 / 40(3.1)(3.2)两式相减得Cd - Ci = 8p 产(3.3)（3.1）式代入（33）式得 总In RiRiRt= 8pF(3.4)根据附录A表 1： £i = 2.2xl0-12户7如，er = M0l2F/m代入式（3.4）计算得- = 835对于内外圆柱套筒式的电容，&，Rz分别为内外两简直径，电容值计算公式为叫c2加部TinRi其中夫

28、2风，为导体长度，.£0=8.854x10"尸"明根据AD7745量程匹配要求，可以确定所产生的物理效应的范围:JCi=Cu+AC=13pFC2Cx2+AC=2lpF根据演示和展示的要求，取/=0.2m于是可算得In=8.35x0.2=1.67Ri即&=967=5.132*5（3.5）式（3.5）是设计内外套筒半径的尺寸比例约束，但是两筒的间距不能太小,否则发生毛细（虹吸现象，而导致无法测量。下面通过分析毛细（虹吸）现象产生的原因，计算两筒的最小间距，确定合理的Ri、R2尺寸°34传感器探头的设计作为面向产品的快速原型设计，本传感器除了满足其理论

29、研究的基本要求外,还需要同时兼具演示和展示的功能。所以，首先用有机玻璃材料制作了一个类似实际汽车油箱的异形容器，直观明了.所设计的传感器以此为试验基础，根据其几何关系进行标定、测试等试验研究。图3.4探头结构设计上文计第确定了内外双套筒结构探头的尺寸，下面论述选择合适的材料进行机械加工以及在原型件机械加工中应当注意的儿个问题。图3.5探头装配图如图3.4,考虑到绝缘能力以及方便机械加工，固定内外套筒式电容探头的基座零件2使用的材料是聚四氟乙烯，该材料不仅绝缘能力好，而旦易于加工，车削加工和钻孔都不易碎裂，并且还有很好的弹性；内外套筒采用紫铜，其和聚四氟乙烯制成的基座的装配采用过盈紧配合。图3.

30、5是探头装配图。具体零件的机械设计图参见附录B图1。机械加工中应该注意的是使内外套筒的同轴度要好，否则造成电极间形成的电场分布不均。在空间4靠近零件2应该对称开大小相同的小孔，使空间4与油箱内部其他空间连通，否则由于气体压力在空间4中燃油无法和套简外保持高度一致。车削加工枣件2时，车刀进给量宜小，保证较好的加工圆度以及较高的表面质为了便于演示，材料1采用5mm厚的有机玻璃板车削加工。在图3.4中形成的空腔3中布置传感渊的信号处理电路，这样从电极到电路板的导线距离很短，宥效地减少杂散电容的影响。传感器探头的实物照片如图36所示。图3.6传感器探头实物图361电路结构综述整个完整的测量系统电路由两

31、个主要部分组成，传感器测量信号处理电路和仪表显示电路，其间通过车身网络通讯总线发送测量结果。针对可能出现的不同接口需求，设计电路时预留了CAN.LTN两种通讯接口可供选择。系统电路拓扑结构示意图如图3.7所示。有关电路的详细原理图参见附录B图2和图3o汽车油位检测系统的设计362主要电路设计1）微控制器GZ16及外围电路简介本文选用的微控制器是飞思卡尔半导体公司的用于汽车领域的工业级&位芯片MC68HC908Gzi6（以下简称GZI6）,该款芯片主要有以卜.的特点：性价比较高,具有16K的FLASH,2通道的定时器，输入捕捉/输出比较/PWM输出，37个I/O引脚，SPhESCKCAN

32、模块各一个。桀成的模块也比较齐全,适合作为CAN总线或LIN总线上的一个节点，该控制器除了完成燃油量测量外,在油箱总成中，同时还可作为电动燃油泵、燃油蒸汽压力传感器等部件的控制器，简言之，在油箱控制总成零部件中，一颗GZ16控制器用以完成所需的功能。GZ16采用外接4MHz晶振，使用芯片内部锁相环倍频到8MHz内部总线。其模拟地和电源之间以及数字地和电源之间采用O.luF贴片电容滤波。在PCB布线中考虑了其抗干扰的问题。GZI6的电路原理图如图3.8所示。«"黑 ad5a5c4fM工-5WR«2£E £I21 / 40图3.8控制器GZ16电路

33、原理图汽车:由位检测系统的设计2）电容传感器AD7745简介基于SigmaDeka转换原理的AD7745,能在一颗芯片中完成从电容C到数字量的转换，将先前采取分立元器件发杂的信号处理电路集中整合在一起，减少了杂散电容和高频噪声带来的干扰，并且方便易用，降低成本。微控制器GZ16通过12c总线和AD7745通讯，包括其初始化设置、测量数据的读取等操作。本文专注于电容传感器的油量测量应用，直接将测量器件和控制器做在一块PCB板上，实际上应用12c总线通讯的AD7745为将来的油箱内部控制的集成提供了可能。测量芯片AD7745为了减少分布电容的影响，必须和探头做成-体，其只需通过12C总线便可和控制

34、器通讯.虽然12c总线并不象CAN/L1N总线那样具有长距离的抗干扰、容错特性，但其在较短距离上确实是可盆的，并旦根据12c总线协议，拨至可以使用控制器的两个普通I/O口，就可以用软件模拟的办法实现通讯，而不必需要控制器本身带有C模块。AD7745的电路如图3.9所示。由于AD7745的SDA和SCL引脚都是漏极开路输出结构，所以力n上R9、R10均为10kC的上拉电阻减少其C总线空闲时的电流消耗。C17和C18都是电源和地之间的滤波电容，分别滤除有电源所引起的高频和低频噪声。图3.9AD7745外围电路23 / 403)CAN收发器MC33388简介MC33388是Freescale公司推出

35、的专用于汽车车身控制的CAN物理接口片。该芯片抗干扰能力强,工作温度范围宽，且具有一定的容错功能，十分适于环境较复杂的汽车电子应用领域.它不但能检测传输错误，且可对发生的错进行全程监控,并可在错误消除后及时恢复正常工作。此外，MC33388在低耗模式下还具有很小的静态电流。其电路原理图如3.10所示。图3.10MC33388电路4) LTN收发器MC33399简介LIN(LocalInterconnectNetwork局域互连网络)是一种低成本的总线网学其最初的开发目的在于弥补CAN总线的不足，主要用于汽车中某些对通信遂要求不高的场合，LIN总线作为CAN总线的辅助网络或子网络使,用可以解次车

36、内因导线过多所带来的许多问题。一个简单的LIN节点除了微控制器外，需要两个芯片，即L1N接口芯片和+5V的电压调节器。Frcescale公司的MC33：芯片是专用于UN的单线物理接口器件。该器件的功耗非常低，可控制外被压器，安全符合LIN规范，抗干扰能力强，是种高性能的模拟器件，适任工作环境比较熨杂的汽车。图3.11MC33399内部结构图MC33399的LIN引脚用于完成单总线收发功能。TX引脚则用于控制UN引脚的输出状态，工作时,这两引脚的状态始终保持一致。而RX引脚则可用来显示LIN总线的状态，LIN总线呈现高电平（隐性）时，RX为高；反之，L1N总线为低电平（品性）时，RX为低。RX输

37、出为典型的CMOS推挽输出结构。由于其特定的内部结构，当地漂移或者电源连接失败时，将不会有反向电流从LIN总线进入芯片内部。MC33399允许Whke引脚输入商压唤醒，同时也可用Wake引脚由高到低或由低到高的两种跳变唤醒，当芯片进入睡眠状态时，芯片将记录下当前Wake引脚的状态。而当电路检测到Wake端相反状态时，就认为发生了唤醒事件。此外，芯片还内置有噪声滤波器，它能够抑制总线高频噪声干扰，防止错误唤醒。根据LIN协议，L1N通讯网络的拓扑结构是“一主多从”形式,并且LTN通讯最大的一个特点是“单线通讯。其将汽车上的“地”的电位作为。将+12V（例如蓄电池的正极）的电位作为1。如图3.12

38、和图3.13,LIN通讯的主节点和从节点在电路上的区别在于：主节点的LIN引脚通过一个电阻和一个二级管上拉到+12V,而从节点LIN引脚则不需要。图3.13L1N从节点电路图3.12UN主节点电路汽车油位检测系统的设计5）步进电机驱动控制芯片MC33970简介MC33970是步进电机驱动芯片，内含6个寄存器，由微捽制器的SP1写入命令状态字，分别是配置/校准寄存器、指针速度寄存甥、指社0/1位置寄存器、指针回零寄存器、归零设置寄存器。本文选取SW1TEC公司的步进电机作为执行器。其电路原理图如3.14所示.图3.14MC3397O电路原理图第四章软件设计4.1 软件设计综述本文第三章重点论述了

39、系统的硬件结构，由系统的拓扑结构图（参见图3.7）可知，在传感器的测量信号处理电路中，微控制器和电容传感器AD7745通过I2C总战进行通讯和数据交换：测量电路和结果显示电路通过CAN总线或LIN总线通讯；结果显示电路中微控制器的SPI向步进电机骆动芯片MC3397。写入命令状态字，驱动指针。由此可见，为了使整个测量系统能正常运转起来，苜先在软件设计中将12cCAN/LIN,SP1通讯实现，使测量系统能够运作起来，然后在试验的基础上通过程序软件实现传感器参数标定、温度补偿算法、滤除液面抖动算法等，从而实现整个系统的所有功能。4.2.1I2C总线概述飞利浦公司（Philips）于20多年前发明了

40、一种简单的双向二线制申行通信总线，这个总线被称为InteMC或者12c总线.目前12c总统己经成为业界嵌入式应用的标准解决方案，被广泛地应用在各式各样基于微控器的专业、消费与电信产品中，作为控制、诊断与电源管理总线。多个符合12c总线标准的器件都可以通过同一条12G总线进行通信，而不需要额外的地址译码器.由于I?C是一种两线式串行总线，因此简单的操作特性成为它快速崛起成为业界标准的关键因素。4.2.2Fc总线的信号线连接12c总线只需要由两根信号线组成，一根是串行数据线SDA,另一根是串行时钟线SCL。一般具有12C总线的器件其SDA和SCL引脚都是漏极开路（或集电极开路）输出结构。因此实际使

41、用时，SDA和SCL信号线都必须要加上拉电阻Rp»Pull-UpResistor）,上拉电阻一般取值310KC，如图4.1所示。开漏结构的好处是：当总线空闲时，这两条信号线都保持高电平，几乎不消耗电流；电气兼容性好，上拉电阻接5V电源就能与5V逻辑器件接口，上拉电阻接3V电源乂能与3V逻辑器件接口：因为是开漏结构，所以不同器件的SDA与SDA之间、SCL与SCL之间可以宜接相连，不需要额外的转换电路。图4.112c总线主从机连接示意图I2C总线是双向传输的总线，因此主机和从机都可能成为发送器和接收器。如果主机向从机发送数据,则主机是发送器，而从机是接收器；如果主机从从机读取数据，则主

42、机是接收器，而从机是发送器。12c总线的通信速率受主机控制，能快能慢.但是最高速率是有限制的，2C总线上数据的传输速率在标准模式（Standard-mode）卜燧快可达100Kb/s。对于数据传输速度要求并不很高的场合，可以用微控制器的普通I/O口模拟实现I2C通讯，其中的关键是满足Fc总线标准的时序要求。4.2.3I2C总线的时序要求本文所用到的控制器GZ16由于本身并不带有12c模块，为了与AD7745通讯，可以使用GZ16的两个普通I/O口模拟实现SDA和SCL功能，即根据12c协议，在两个1/0口所对应的数据寄存器中按时序要求写入或者读出数据，即可实现通讯.如图4.2所示,12c总线时

43、序的起始条件为：当SCL处于高电平期间时，SDA从高电平向低电平跳变时产生起始条件，总线在起始条件产生后便处于忙的状态；停止条件为：当SCL处于高电平期间时，SDA从低电平向高电平跳变时产生停止条件。总线在停止条件产生后处于空闲状态.广人1-u二二起始条耗停止条耗图4.212c总线起始、停止时序如图4.3所示，数据线SDA的电平状态必须在时钟线SCL处于高电平期间保持稳定不变。SDA的电平状态只有在SCL处于低电平期间才允许改变。某些其它的串行息线协议可能规定数据在时钟信号的边沿（上升沿或下降沿）有效，而12c总线则是电平有效。图4.312c总线电平状态27 / 40汽车:由位检测系统的设计P

44、c总线不需要额外的地址译码器和片选信号。多个具有12c总线接口的器件都可以连接到同一条12c总统上，它们之间通过器件地址来区分。主机是主控器件，它不需要器件地址，其它器件都属于从机，要有器件地址。必须保证同一条12c总线上所有从机的地址都是唯一确定的，不能有重复，否则尸C总线将不能正常工作。一般从机地址由7位地址位和一位读写标志（R/W）组成，7位地址占据高7位，读写位在最后s读写位是0,表示主机将要向从机写入数据；读写位是1,则表示主机将要从从机读取数据。对于AD7745来说，对其进行写操作的起始位地址是0x90,诚操作的起始地址是0x91。4.3CAN通讯的实现4.3.1CAN网络特点概述

45、作为目前汽车车身主流的通讯网络，CAN协议采用了15位CRC校验、位填充技术及完善的差错处理机制，有力地保证了数据通讯的可靠性。通讯价质可采用廉价的双绞线、性价比莪高的同轴电缆或高品质的光纤。由于其良好的运行特性、极高的可靠性和独特的设计，不但特别适合现代汽车各电子控制单元之间的互连通讯，而11也越来越受到其它业界的欢迎,并被公认为最有发展前景的现场总战之其特点可以概括如下°乱 CAN为多主结构，网络上的任何节点在总统空闲时均可以主动地向网络上其他节点发送消息，而不分主从，通信方式灵活，而且不需要节点地址。 CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可针对不同的实时性要求对信号的优先缓

46、进行合理分配和定义，在IMpbs的位传输率下最高优先级的消息最多在134做秒内可发送到总线上。 CAN采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线上发送消息时，29 / 40优先级较低的节点会自动退出总线，而优先级较高的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省总线冲突种裁时间，尤其是在网络负载较重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。 CAN只需要通过报文滤波即可实现点到点、一对多及全局广播等几仲传送接收数据方式，无需专门的“调度”机制。配置简单方便。 CAN的直接通行距离最远可达10km(速率在5kbps以下)，通信速率最高可以达到1Mbps(此时通信距离最长为40m)。 CAN上的节点数主要

47、取决于总线的驶动电路，目前可达110个：帧的标识符(CAN2.0A)可达2032种，而扩展帧的标识符(CAN2.0B)可达上亿个。 采用矩帧结构，传输时间较短、受干扰概率较低，具有很好的检错效果。适用于复杂恶劣条件，满足可靠性，安全性要求。 CAN的每帧信息中具有CRC校验及其他监测措施，保证了数捌出错概率极低c满足可靠性，安全性要求. CAN的通信介质可以为双线线、同轴电缆或光纤，从成本的角度考虑一般情况下选择非屏蔽双绞线。 CAN节点在严重错误的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。满足可毒性，安全性要求。4.3.2CAN总线信号特点CAN总线信号使用差分电压传送，

48、两条信号线被称为挚AN(和孽AN_Lr；静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为J显形”，此时，通常电压值为：CANH=3.5V和CAN_L-1.5V.在CAN总线消息中，数据帧是最常见的消息类型卜2】，由伸菽场(arbitrationfield)、数据字段(dataGeld)、CRC字段与确认字段(acknowledgementfield)构成.当两个或更多节点争用总线时，仲裁场决定消息的优先级。对CAN2.0A而言，仲裁场包括H位标识符与RTR位(其就数据帧为显性).而对CAN2.0B而言，其包括29位的标识符与RT

49、R位。随后是数据字段与CRC字段，前者包括0到8字节的数据，后者包括用于错源检测的16位校验和。最后是确认字段。任何可正:确接收消息的CAN控制器都发送显性ACK位,它将覆盖正确消息传佛结尾处已传输的隐性位，发送器检查是否存在显性ACK位，如果未检测到确认，则将再次传输消息，确保数据发送的可靠性.4. 3.3CAN通讯数据场协议根据本文的实际情况，测量电路向总线上发送的数据量并不大，宜采用短帧汽车油位检测系统的设计结构，传输时间较短、受干扰概率较低.具有很好的检错效果，适用于第杂恶劣条件.满足可靠性，安全性要求。CAN每一帧消息其数据场有8字节，本文是按照表4.1所确定的通讯协议分配该8字节长

50、度数据场的。表4.1一顿消息的数据场字节分配13字节46字节78字节测量电容值测量温度值保留以备扩展油量到量结果的发送实时性要求并不高，本文采用号1秒钟向总线发送一次数据，足以满足指针显示电路的要求，并且对车身网络总统资源占用极小。4.4 LIN通讯实现除了使用CAN总线发送测量结果外，本文也尝试采用LIN(LocalInterconnectNetwork)总线技术实现同样的功能，这样电容传感器的使用者可以在两种通讯接口之间进行合理的选择。4.5 .1LIN总线的特点LIN总线的方案是由众多汽车制造商和半导体公司创建的，其目的是为了找到更低成本的子总线网络.作为使用广泛的CAN通讯网络的辅助。

51、LIN网络是基于主从结构的，使用单级通讯，减少了大量线束的重量和费用。LIN是这种低成本的出行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN的目标是为现有汽车网络(例如CAN总线)提供铺助功能，因此LIN总线是一种轴助的总线网络。在不需要CAN总线的带宽及复杂性的低速系统，如开关类负载或位置型系统包括车的后视镜、车像、车座椅、车窗等的控制，使用LIN总线可大大节省成本.MN在硬件和软件上保证了网络节点的互操作性并有可预测EMC的功能。LIN总统的主要特性有灯：单主机多从机基于普通UART/SCI接口的低成本硬件实现,从机节点不需要石英或陶瓷谐振器可以实现自同步 保证信号传输的延迟时间 低

52、成本的单线设箸. 速度最高达20kbit/s可见，虽然LIN总线不具有CAN总线的带宽，但其通讯速率足以满足木文设计的传感器数据传送的要求，井且其具有明显的价格优势，有利于降低本传感器系统的总成本。4.4.2LIN网络报文特点一个LIN网络由一个主节点，一个或多个从节点组成。所有节点都有一个从通讯任务，该通讯任务分为发送任务和接收任务，主节点还有一个主发送任务。一个LIN网络上的通讯总是由主发送任务所发起的主控制器发送一个起始报文，该起始报文由同步断点、同步字节消息标志符所组成,相应的，在接受并且滤除消息标志符后，一个从任务被激活并且开始本消息的应答传输，该应答由2/4/8个数据字节和一个校验

53、码所组成，起始报文和应答部分构成一个完整的报文帧，如图4.4所示qSync中版Sync均掾源行rtfi外fi同喇口口！口口口n相为报文械图44LIN报文帧格式LIN总线使用单信息帧格式对节点进行同步和寻址，井在它们之间交换数据。主机定义传输的速率并发送。4.4.3LIN通讯数据场协议在本文中，显示电路作为主节点，测量电路作为从节点。在总统上发送的信息有长度可选的固定格式，每个报文帧都包含2、4或8字节的数据场。本文同样按照表4.1的协议，每帧LIN消息同样采用8字节数据场发送测量的电容值和温度值以及保留扩展位。4.5SPI通讯简介SP1（serialperipheralinterfece举行外

54、围设备接口）是一，种全双工、高速、同步的通信总线，且简单易用。越来越多的应用芯片内部都集成有SPI总线，如Frecscalc系列8位单片机。其具有两种操作模式：主模式和从模式。在主模式和从模式中，均支持高达3Mbit/s的速率，还具有传输完成标志和写冲突保护标志。具体通过SPI设置MC33790驱动步进电机的驳动，参见源程序清单。第五章试验温度变化对机械尺寸的影响温度变化能引起电容式传感器各组成零件的几何尺寸改变，从而导致电容极板间隙或面积发生改变，产生附加电容变化。这对变间隙电容式传感器来说显得很重要，因为一般其间隙都取的很小，约几十微米到几百微米之间。温度的变化使各零件尺寸改变，可能导致木

55、来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的特性温度误差C对于此，文献5提出的建议认为：温度误差与组成零件的几何尺寸及零件材料的线膨胀系数有关。在结构段计中，应当尽量减少热膨胀尺寸链的组成环节数目及其尺寸；另一方面要选用膨胀系数小，几何尺寸稳定的材料.汽车油箱传感器的温度变化范圉一般在一20C+50C,制作传感器机械部件所使用的黄铜和聚四籁乙烯材料，在这个温度区间内由于材料热膨胀所产生的机械尺寸的变化微小，所带来的附加电容可以忽略不计，温度变化对介质介电常数的影响温度变化还能引起电容板板间介质介电常数的变化，使传感器电容改变，带来温度误差.温度对介电常数的影响随介质不同而异。对于以空气或云

56、母为介质的传感那来说，这项误差很小,一般不需考虑。但在电容式液位计中，燃油的介电常数的温度系数达0.07%，因此如环境温度变化±50匕，造成的误差将达7%,这样大的误差必须加以补偿。燃油的介电常数©随温度升高而近似线性地减小,其关系如下：35 / 40(5.I)式中：一起始温度下燃油的介电常数；温度改变时的介电常数；解燃油介电常数的温度系数（对于煤油汝工-0.000684/r?）.对于同心圆柱式传感器，在液面高度为H时，由干温度变化使昌改变.引起电容量的改变为(5.2)上式说明47,既与人。=£旭如"成比例，还与液面高度H有关，即ACraZ/A153作为电容传感器的解决方案，AD7745在测量电容的同时，在片内还提供了一个温度传感器，其精度为0.1'C，最大误差为拉七，其温度测量结果也是以3字节（24bit）十六进制数据在12c接口上输出：温度t（瓣）=就一4096（5.4）由式（5,2）可以计算温度由一200C升高到50C,在满量程下，所产生的附加电容为AC=x3x1x(-0.0007)乂(50+20)(5.5)(5.6).R210.1in-in*、Ri0.02=L2pF其误叁率4掾可见，在汽车使用的温度范围中，由于温度变化所带来的传感隅测量误差最大可达6%左右。所以在标定过程中，还应将温度变化引起的附加