Diseño de módulos de adquisición analógica

Prólogo:

Con el fin de resolver el problema de la diversificación y complejidad de la adquisición de magnitudes analógicas en vehículos de ingeniería, se diseña un módulo de adquisición de magnitudes analógicas configurable. Este módulo se utiliza en un controlador universal de vehículos basado en el microprocesador de 32 bits MPC5646B de Freescale. Se presenta en detalle el esquema de diseño del hardware y se explica su principio configurable. Utilizando el control MSComm en VC6.0, se diseña una interfaz de configuración de usuario en el ordenador central, y los parámetros configurados se almacenan en la Dataflash del microcontrolador. Por último, se recogen y compensan tres tipos de magnitudes analógicas: tensión, corriente y resistencia, y la precisión global de recogida se controla dentro del 5‰. Los resultados de las mediciones muestran que el módulo es muy configurable y versátil y que tiene una buena precisión de medición.

fondo:

A medida que aumentan los requisitos y la dependencia de los automóviles de los sistemas de control, el módulo de adquisición A/D se ha convertido en una parte importante del controlador del automóvil. Existen tres tipos principales de entradas analógicas en los vehículos de ingeniería en general: de tipo resistencia (como el sensor de nivel de aceite), de tipo corriente (generalmente de 4 a 20mA, como el transmisor de presión), y de tipo tensión (como la captación de tensión de la batería). Sin embargo, debido a los diferentes escenarios de aplicación, los diferentes vehículos de ingeniería requieren diferentes tipos y cantidades de cantidades analógicas a recoger. Por lo tanto, el módulo de entrada analógica del controlador necesita tener cierta capacidad de configuración antes de que pueda aplicarse a diferentes vehículos de ingeniería. Por ejemplo, en un sistema de maquinaria de construcción, es necesario recoger 4 señales analógicas, 2 de las cuales son señales de tensión, y 1 es de tipo corriente y resistencia. Además, un sistema también tiene 4 señales analógicas, pero todas son señales de tensión. Esto Generalmente, usted necesita usar controladores de función personalizada para los dos sistemas respectivamente. Sin embargo, si añade un módulo de adquisición analógica configurable al controlador, sólo tendrá que configurar diferentes funciones en el software para satisfacer las necesidades de los dos sistemas al mismo tiempo. Esto aumenta la flexibilidad del sistema.

El módulo de adquisición analógica configurable de 16 canales diseñado en este artículo resuelve bien los problemas anteriores. El canal de conversión A/D de este módulo se basa en el convertidor analógico-digital (ADC) de aproximación sucesiva de 12 bits del chip principal del controlador MPC5646B, que es un microcontrolador freescale de 32 bits de la serie Qoriva construido con tecnología PowerArchitecture? y adecuado para automóviles y orientado a motores. Aplicaciones de gestión, control de carrocería, pasarela, seguridad, chasis e información al conductor.

Diseño de circuitos de hardware

(1) Principio de configurabilidad

El principio de configurabilidad se muestra en la Figura 1. Este diseño está orientado a magnitudes analógicas comunes en vehículos de ingeniería. Las magnitudes analógicas de tipo tensión se dividen en 6 rangos: 0~5V, 0~10V, 0~15V, 0~20V, 0~24V, 0~32V. Las cantidades analógicas de tipo corriente se dividen en 2 rangos: 0~10mA, 0~20mA. La cantidad analógica de tipo resistencia se divide en 3 rangos: 20~100Ω, 20~500Ω, 20Ω~10kΩ. En aplicaciones reales, diferentes vehículos configuran las 16 entradas de la Figura 1 como los tres tipos diferentes anteriores y diferentes rangos de canales de adquisición analógica según las necesidades.

(2) El principio de diseño del hardware se muestra en la Figura 2. Hay 16 canales de adquisición analógica AIN1~AIN16, que se conectan en cascada a través de 2 multiplexores U1 y U2. U3 y U4 son módulos configurables para la medida analógica. Entre ellos, S1~S6 de U3 corresponden a los 6 rangos de medida de tensión, S7~S8 corresponden a los 2 rangos de medida de corriente, y S3~S5 de U4 corresponden a los 3 rangos de medida de resistencia. El terminal de habilitación EN del multiplexor ADG5408 y las líneas de dirección A0, A1 y A2 se emiten por el puerto de E/S del chip principal. La cantidad analógica de entrada se introduce en un puerto A/D de 12 bits del MPC5646B para su conversión después del acondicionamiento.

(3) Chip multiplexor analógico ADG5408 ADG5408 es un multiplexor analógico CMOS de un solo chip de Analog Device Company, certificado para aplicaciones de automoción. Incorpora 8 canales simples, una de las 8 entradas se conmuta a la salida común según la dirección determinada por las líneas de dirección binaria de 3 bits A0, A1 y A2. Alimentado por una sola fuente de alimentación de 9-40V, el rango de la señal de entrada puede ampliarse al rango de tensión de alimentación. Este diseño utiliza una fuente de alimentación de 32V para cumplir con la medida de tensión máxima de 32V. La curva de resistencia de encendido es muy plana en todo el rango de entrada analógica, con una baja resistencia de encendido de 13,5Ω. Corriente de fuga de canal muy pequeña, la fuga de canal máxima a -40~+85°C es de 4 nA, y la influencia entre canales es casi despreciable.

(4) Introducción al módulo A/D del chip principal. La parte A/D del MPC5646B incluye precisión de 10 y 12 bits. Los dos módulos se alimentan de forma independiente. El chip ADR02 es una fuente de tensión de referencia de precisión de 5V producida por la empresa A/D, que es un módulo A /D que proporciona una tensión de referencia de 5V [6]. Hay 16 canales de alta precisión y 13 canales estándar en el canal A/D de 12 bits. Cada canal tiene un registro de resultados de conversión dedicado. En este diseño, se utiliza el canal de alta precisión en el A / D de 12 bits.

(5) Explicación detallada de las funciones del circuito

①Función de medición de tensión

En los vehículos de ingeniería general, la tensión puede alcanzar hasta 32 V, y el módulo ADC del MPC5646B suministra 5 V, por lo que la tensión debe dividirse antes de que pueda introducirse en el puerto A/D. En la Figura 2, S1~S6 de U3 están conectadas a 6 resistencias divisoras de tensión R1~R6, y el muestreo de tensión se realiza para 6 rangos: 0~5V, 0~10V, 0~15V, 0~20V, 0~24V y 0~32V. La resistencia es del tipo de deriva de alta precisión y baja temperatura [8]. La resistencia R0 de 10kΩ es una resistencia divisora de tensión común. Después de dividir la tensión, se conecta al puerto A/D del MPC5646B. Se puede configurar al rango correspondiente de acuerdo con el rango de voltaje que necesita ser recogido en el vehículo de ingeniería. Si el canal AIN1 del vehículo A necesita configurarse con 0~20V, seleccione el canal S1 de U1 y el canal S4 de U3.

②Función de medición de corriente

El puerto A/D no puede medir directamente la corriente, por lo que debe convertirse en tensión a través de una resistencia. Como se muestra en la Figura 2, S7 y S8 de U3 están conectados a dos resistencias, correspondientes a dos rangos de corriente de 0~20mA y 0~10mA. En este momento, la resistencia divisora de tensión R0 cuando se mide la tensión tiene una gran resistencia, por lo que el efecto de derivación puede ser casi ignorado, y puede ser considerado como un cable cuando se mide la corriente. Si el canal AIN7 del vehículo B necesita ser configurado a 0~20mA, seleccione el canal S7 de U1 y el canal S7 de U3.

③Función de medición de resistencia

Dado que la resistencia es una magnitud física pasiva, la medición de la resistencia requiere una fuente de alimentación interna y una resistencia conocida en serie para dividir la tensión. Como se muestra en la Figura 2, los canales S3, S4 y S5 de U4 están conectados a resistencias de 60Ω, 270Ω y 1kΩ, correspondientes a los tres rangos de medida de 20~100Ω, 20~500Ω y 20~10kΩ respectivamente. Si el canal AIN15 del vehículo C necesita configurarse a 20~500Ω, seleccione el canal S7 de U2 y el canal S4 de U4.

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