摘  要： 介绍了CAN总线技术的特点与原理以及巨磁电阻原理，分析了运用巨磁原理测量转角信号的方法，设计了基于TLE 5012芯片的转向角传感器检测电路，结合CAN原理运用Protel软件设计了采集电路，该电路能及时准确地将转角信号通过CAN网关与汽车ESP、EPS系统进行共享。

　　关键词： CAN总线；转向角传感器；TLE 5012；电路设计

0 引言

　　转向角传感器是汽车众多传感器中最重要的传感器之一，它承担着为汽车电子稳定系统（Electronic Stability Program，ESP）、汽车电动转向系统（Electronic Power Steering，EPS）等提供方向盘转角信号的重要任务，其稳定性与精确性直接影响行车安全，而如何提高其稳定性与精确性成为一个重要的问题。随着车载网络系统在汽车上应用的不断深入，汽车CAN总线技术不仅减少了汽车上繁杂的线束与接插件，也使得信息传输与共享变得容易。CAN以其强大的功能和生命力，已经成为公认的最有前途的现场总线之一。基于CAN总线的方向盘转角传感器电路采集系统，因为其精确、稳定的特性，正逐步占领着市场，这也让ESP、EPS等一批先进技术成为未来汽车发展的主流技术。

1 CAN总线技术特点

　　1.1 CAN总线原理介绍

　　CAN总线是一种串行通信协议，在汽车上应用广泛，可以分为以下3个专门的系统：

　　（1）动力CAN总线，其数据传输速度最高，达到500 kb/s，主要用于发动机、变速器、ESP等汽车动力系统的数据传输。

　　（2）舒适CAN总线，其数据传输速度较低，为100 kb/s，主要用于汽车空调系统、车窗门锁系统、座椅调节系统等。

　　（3）信息CAN总线，其速度也较低，为100 kb/s，主要用于导航、音响等系统。

　　从CAN总线的原理和实现的角度进行分析，只要有两个CAN节点和一条将各个节点连接成一体的数据传输导线（例如双绞线）就能构成一个简单的CAN总线系统，而这两个节点之间的信息通信一般通过数据传输导线进行。具体的CAN总线系统一般由传感器节点、控制器节点、执行器节点以及其他的监控节点（如人机界面）组成。

　　1.2 CAN数据传递方式

　　CAN总线上传输的数据通常称作报文，而报文是以帧为单位传送的，每帧数据是由一组二进制数据组成的。CAN总线的帧类型有四种，分别是数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。

　　（1）数据帧

　　数据帧的主要作用是将报文从发送器传送到接收器，数据帧的组成如图1所示。

　　①帧起始

　　帧起始是数据帧的开始，仅由一个显位（0）构成。所有的站都必须与最先发送的帧起始前沿进行同步。帧起始在控制芯片内完成。

　　②仲裁场

　　仲裁场由远程发送请求位（RTR）和11位标识符（ID28~ID18）构成，但是ID高7位不能全部为隐性（1）。如果总线处于空闲状态，则所有的控制单元都可以向总线发送数据，但是如果多个控制单元同时向总线发送数据，则控制单元就要进行仲裁，即具有最高优先权的数据首先发送，标识符二进制数的值越小，数据的优先权就越高。

　　③控制场

　　控制场由6位组成，其中4位是数据长度码（DLC3~DLC0），数据长度码代表数据场的字节数，最大为8，允许的数据长度为0~8 B。另外两位是扩展用的保留位，发送的保留位必须为0（显性）。

　　④数据场

　　数据场有0~8 B，8 bit/B，一般数据场最大为64 bit，对于复杂的数据，可以用2个或者多个字节来表示，但最多不能超过8 B。

　　⑤CRC场

　　CRC场由15 bit CRC序列以及1 bit CRC界定符组成，其中CRC序列后的CRC界定符必须是单个隐性位。

　　（2）远程帧

　　远程帧的远程发送请求位与数据帧相反，为1（隐性），远程帧没有数据域，数据长度代码可以为0~8中的任意数。

　　（3）错误帧

　　当总线发生错误时，电控单元就会立即发布错误帧。错误帧可以检测所发送的数据是否发生错误。错误帧由两个不同的场组成，一个是各个节点错误标志的叠加，另一个则是错误界定符，如图2所示。

　　①错误标志

　　错误标志分为两种，6个连续的显性位为主动错误标志，6个连续的隐性位为被动错误标志。当检测到错误条件是“错误主动”时，控制单元就会发出6个显性位的主动错误标志进行识别；当检测到“错误被动”时，则发出6个隐性位的被动错误标志进行识别。

　　②错误界定

　　错误界定有8个隐性位，当站发送错误标志后，它发送1个隐性位，并且时刻监视总线，直到检测到隐性位，然后开始发送其他7个隐性位。

　　（4）过载帧

　　过载帧包括过载标志和过载界定符。当接收器要求推迟发送下一个数据帧（远程帧），或者在间歇场（帧间空间）的第一或者第二位检测到非法显性位时，就会发送过载帧。

　　（5）帧间空间

　　帧间空间如图3所示，对于数据帧或者过载帧，两帧之间都用帧间空间来间隔开，但过载帧与错误帧之间没有帧间空间，多个帧间也没有帧间空间。总线空闲周期可以是任意的，此时，总线处于开放状态，可以任意发送数据。

2 转向角传感器原理基础

　　本设计使用的方向盘转向角传感器是基于磁阻效应与巨磁效应。一般情况下，具有磁性的金属或者合金都具有磁电阻效应，即在磁场变化的情况下，金属的电阻也会发生变化。而巨磁电阻是指在一磁场下金属的电阻值快速下降，下降幅值可能为磁电阻10倍或以上[1]。

　　巨磁效应目前的应用非常广泛，在一些欧美发达国家尤其如此，例如美国IBM公司利用巨磁效应最新研制出了电脑的读出磁头，这在很大程度上提高了磁头的读出精度。本设计所用的检测芯片TLE5012就是基于巨磁效应而开发出来的，在汽车上的应用也将越来越广泛。

3 芯片TLE5012结构分析

　　TLE5012芯片是英飞凌公司在2010年推出的产品，是一个基于巨磁原理生产出来的芯片。此芯片可以测量磁场在360°以内的方向盘转角。TLE5012内部集成了2个惠斯顿电桥，每个电桥上有4个巨磁电阻；还包括2个A/D转换器、滤波器、1个温度传感器以及其他监测电路等。内部电路分为模拟电路（包括惠斯顿电桥、模数转换器、检测开关、比较器等）和数字电路（包括锁相环、滤波器、有限状态机、计数器、SSC接口等），可在芯片内部实现模数转换，便于将信号直接送到单片机进行处理[2]。

　　3.1 TLE5012芯片角度测量原理

　　两个电桥起着重要作用，一个电桥的输出量随着磁场与芯片X方向的夹角x的变化而变化（称作X桥），而另一个电桥的输出量随着磁场与芯片Y方向的夹角?兹y的变化而变化（称作Y桥）[3]，如图4所示。

　　由图4可知，X桥与Y桥的输出量与磁场的角度变化有关，当磁场方向与芯片X桥方向的夹角为?渍时，X桥的最终输出信号为：

　　当磁场方向与芯片Y桥方向的夹角为?渍时，Y桥的最终输出信号为：

　　其中，Am为输出信号的幅值，?渍为磁场与芯片X方向的夹角。

　　3.2 传感器结构与转角测量方案设计

　　（1）传感器结构设计

　　图5所示为设计后的转向角传感器的结构原理图。A齿轮与转向系统主轴刚性连接在一起，主轴转动，带动A齿轮转动，从而带动B、C齿轮转动。

　　从动齿轮B、C上分别固定一块相同的永磁体，磁体随着齿轮一起转动，两块永磁体的上方固定两个不动的TLE5012芯片。当主轴转动时，TLE5012芯片就能准确检测到两个从动齿轮所转动的角度。

　　（2）方向盘转角测量方案设计

　　一般汽车方向盘的转动范围约为4圈，即±720°左右，但TLE5012芯片测量的转角范围在0°~360°，所以必须使芯片的测量角度与方向盘转角对应起来。

　　图5中，假设主轴大齿轮A的齿数为Za，两个从动小齿轮B和C的齿数分别为Zb和Zc，且Za>Zb>Zc。当主轴转动时，由于从动齿轮B和C的齿数不相同，因此它们转过的角度也不同。设A齿轮转过n周，那么B齿轮转过（Za×n÷Zb）×360°，C齿轮转过（Za×n÷Zc）×360°。因为芯片的测量角度要与方向盘转角一一对应，故有：

　　因为方向盘转过4圈，故设n=4，为了研究齿轮之间的关系，假设Za=60，Zb=34，Zc=30，验证式（4）是否符合实际工况。当齿轮A转过4圈时，B齿轮转过2 541°，C齿轮转过2 880°，C齿轮超过B齿轮339°，并没有超过360°，这样能保证芯片的测量角度与方向盘转角一一对应，但如果C齿轮超过B齿轮360°，则不能一一对应。所以，在选择齿轮时，要注意齿数的要求，并且注意装配零位的校准。

4 采集电路设计

　　4.1总体电路设计

　　总体设计的电路框图如图6所示，主要由电源模块、测量模块、控制模块以及防干扰电路（光电耦合电路）模块组成。

　　4.2 电路硬件的选择

　　（1）单片机的选择

　　单片机又叫微控制器，是整个电路的核心元件，它负责处理来自TLE5012的16位转角信号并传送出去。因为是处理转角信号，所以对单片机的处理速度要求不高，但对处理的精度以及分辨率有一定的要求。

　　基于上述要求，选择89C51内核的芯片，该芯片具有造价低、稳定性及功能强、使用寿命长的优点，其指令系统完全兼容传统的单片机系统，但处理速度更快，接口资源非常丰富，包括4个8位I/O数据接口，适用5 V电压等。

　　（2）角度传感器的选择

　　目前，常见的角度传感器有很多，有基于霍尔效应的霍尔传感器和基于光电效应的光电传感器等，而本设计采用基于巨磁原理的传感器芯片TLE5012，其内置了单片机内核，SPI接口可以直接输出角度信号，还支持PWM、HS霍尔开关以及IIF增量接口的数据传输，这样TLE5012可以直接读出磁场的角度位置，从而避免了参数校正，使用起来较为方便。

　　4.3 分块电路设计

　　（1）电源电路

　　汽车的电路一般由蓄电池供电，汽车蓄电池的电压一般为12 V左右，而本设计中的芯片（如单片机、TLE5012等）都需要5 V的电压，因此需要变压。7805稳压芯片能把12 V电压转化为5 V，电容C1、C2起到滤波的作用，具体电路如图7所示。

　　（2）测量电路

　　将89C51单片机与TLE5012芯片所对应的SSC片选信号线的引脚相连，具体测量电路如图8所示。

　　（3）CAN控制电路

　　单片机89C51可以实现CAN控制器SJA1000的初始化，从而控制SJA1000来实现对报文的收发。

　　SJA1000的AD接口分别与89C51的P0口相连，CS与89C51的P2.0相连，当P2.0输出为0时，89C51外存储器地址选中SJA1000，从而实现对SJA1000读写的控制。电路连接如图9所示。

　　（4）光电耦合电路

　　汽车电路的外界干扰较多，为了增强CAN总线系统抗外界干扰的能力，SJA1000的TX0与RX0接口通过高速光电耦合器与82C250连接，从而实现了CAN总线电路上节点之间的电器隔离，保证了电路的稳定性。但是光电耦合电路所采用的两个电源应该独立隔离，否则光电耦合电路就失去了应有的作用。

　　82C250与CAN总线相连时，CAN-H与CAN-L分别连接了一个5 Ω的电阻，其作用是限流，避免80C250受到过大电流的冲击而伤害元器件。此外CAN-H、CAN-L与地之间还连接了两个30 pF的电容，用来防止电路上产生高频干扰。而两个防雷击管的放电可以防止输入端与地之间出现的瞬变干扰。光电耦合电路具体电路图如图10所示。

5 结论

　　通过本文设计的转向角传感器采集电路可以采集方向盘的转角信号，并通过CAN总线与汽车ESP、ESP等电控系统实现共享转角信号，为今后汽车底盘主动安全系统一体化设计提供了一定的基础研究。

参考文献

　　[1] 李寅.ESP用转矩转角传感器的研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

　　[2] 李浩，徐衍亮.电动汽车方向盘绝对角位置传感器的研究[J].传感器与微系统，2011，30（3）：32-34，39.

　　[3] 何润东，潘盛辉，韩峻峰，等.方向盘转向角传感器的数据采集系统设计[J].现代电子技术，2011，34（19）：116-118.