基于C8051F020的實時檢測和車輛散熱系統參數測試電路設計
摘要： 本文著重于在不改變車輛現有結構和性能的前提下，采用單片機控制系統、傳感器技術、數據存儲技術、實時時鐘技術，研制一套能實時檢測和記錄車輛散熱系統動態參數的電子電路。
Abstract：
Key words :
1 引言
車輛的系統散熱性是衡量其先進性的一個重要標志，因為車輛的各個部件和系統都存在一個最佳的工作溫度區間，在此溫度范圍內零部件的各項性能指標才能得以保證。目前，我國車輛系統的研制已進入自行研制、自主創新的發展階段，由于缺乏實車試驗測試條件，加上車輛工作環境的復雜性，導致有效的實車試驗數據嚴重缺乏，試驗周期長，數據可復現性差，無法向工程設計部門提供準確有效的實車試驗數據，嚴重影響車輛總體技術的進一步發展。因此，本文著重于在不改變車輛現有結構和性能的前提下，采用單片機控制系統、傳感器技術、數據存儲技術、實時時鐘技術，研制一套能實時檢測和記錄車輛散熱系統動態參數的電子電路。
2 系統總體構架設計
該散熱系統參數測試電路由上位微型計算機和下位單片機控制系統組成。圖1是車輛散熱系統參數測點示意圖。該車輛散熱系統參數測試電路的主要功能和技術指標為：(1)能夠同時對溫度、壓力、流量共計11路數據進行檢測；(2)利用從機白帶的10位A／D轉換器進行數模轉換，滿足系統分辨率的要求，基于先轉換后傳輸的理念克服了模擬信號在長線傳輸中易受到干擾的缺點；(3)使用RS485和USB串行總線傳輸，實現主從機間的多機通信及和上位機間的通信，且具有傳輸速度快、抗干擾能力強的特點；(4)使用大容量數據存儲器以滿足長時間大容量數據的存儲需求。
3 測試系統電路設計
該系統主要由數據采集、液晶顯示、鍵盤、存儲、RS-485通信、USB通信等電路組成。圖2是系統電路設計框圖。
3．1 主控制單元電路設計
在系統電路設計中，采用C8051F系列單片機作為系統的控制器件。該單片機具有高速的指令執行速度，同時將A／D轉換、交叉開關等復雜的外圍功能部件集成到單片機內部，簡化了電路，提高了系統設計的可靠性。
鍵盤模塊使系統具有手動獨立控制能力，該模塊的設計采用4×4非編陣列式鍵盤實現確認、停止、清除、復位、通信、存儲、時間設置等功能。按鈕的行、列線分別接到MCU的P6端口，采用“行掃描法”來確定鍵盤上具體哪一個鍵被按下。顯示器選用點陣式液晶顯示模塊FM12864F，用于顯示各通道數據、當前時間等，以便增強人機交互效果。采用串行時鐘DS1302進行時鐘設計，在電路中我們用P0口的P0．5、P0．6、P0．7分別作為時鐘器件的串行時鐘線、數據線、復位線，將Vcc2連接到備份電源，以便在掉電的情況下能保存時間信息，這種記錄方便對長時間的連續測試系統結果的分析以及對查找異常數據出現的原因有著重要意義。
3．2 數據采集單元設計
數據采集單元采集車輛散熱系統的溫度、壓力、流量。
(1)溫度信號的采集 采用鉑電阻PT100來實現溫度信號的采集，測溫電路如圖3所示。采用R13、R14、VR2、PT100構成測量電橋，當PT100的電阻值和VR2的電阻值不等時，電橋輸出一個毫伏級的壓差信號，經LM324放大后，接入從控機的模擬輸入通道AIN2進行A／D轉換。
(2)流量信號的采集 采用超聲波多普勒流量計檢測流量信號。測量中超聲波發射器為一同定聲源，當超聲波發射器所發射的固定頻率的超聲波入射到這些固體顆粒時，被反射到接收器的超聲波頻率就會與發射頻率之間有一個差值，該頻率差就是由于流體中固體顆粒運動而產生的多普勒頻移．由于這個頻移量正比于流體流速，所以測量此頻差就可以求得流速，進而求出流體流量。
(3)壓力信號的采集 采用壓阻式傳感器來實現對壓力信號的檢測，測壓電路如圖4所示。在系統電路設計中，VD1采用LM385，其穩定電壓為2．5 V，為傳感器提供1．5 mA恒流源的基準電壓。U2與U3構成差動輸入與差動輸出的放大電路，通過U5變換為對地的單端信號輸出，該輸出信號接入C8051F012的模擬輸入通道AINO進行A／D轉換。
3．3 外圍電路的設計
外圍電路主要配合控制器完成車輛散熱系統參數測試，主要由存儲、RS485通信、USB通信等電路組成。
3．3．1 數據存儲電路的設計
由圖2可知，需要測量散熱系統的溫度、壓力、流量參數，共11路。根據設計要求，每隔0．5 s對這11路參數采集一次，連續采集2 h。如果采用10位的A／D轉換器，需存儲器的容量為309．375 K字節。因此選取容量為8 Mbit的AT45DB081作為大容量存儲器，把車輛在相當長時期內運行數據作為歷史數據存儲。圖5為存儲器接口電路，圖中將C8051F020的P0．2、P0．3和P0．4引腳通過交叉開關配置為SPI的CLK、MISO和MOSI信號線，分別與AT45DB081的時鐘、串行輸出和串行輸入引腳相連。將P3．0、P3．1和P3．2分別與AT45DB081的片選、復位和忙閑引腳狀態相連。
3．3．2 通信電路的設計
(1)RS－485通信接口電路在測試電路中，主控機發送命令，從控機接收命令并執行相應的操作。因此采用RS－485通信協議來實現主從機間的多機通信，RS－485標準接口為差分驅動結構，它通過傳輸線驅動器把邏輯電平轉換為電位差，完成信號的傳遞，提高了信號的抗共模干擾能力。本系統采用MAX485驅動器進行電平轉換。
(2)USB通信接口電路 在車輛參數測試電路中，我們通過PDIUSBD12擴展USB接口來實現主控機和上位機的通信。系統中PDIUSBD12與C8051F020之間采用地址數據總線復用的連接方式，PDIUSBD12的ALE作為地址鎖存信號，A0接高電平，C8051F020的地址和數據總線直接與PDIUSBD12的數據總線相連。其USB接口電路如圖6所示。
車輛工作環境復雜，電磁輻射是不可避免的，由于PDIUSBD12本身的ESD保護能力有限，為有效防止靜電放電損害電子元件．系統設計中在D-，D+和地線之間并聯一個瞬變電壓抑制器。其SN75240接口電路如圖7所示。當A，B或C，D兩端出現瞬間高能量沖擊時，它能以極高的速度把兩端的阻抗值由高阻態變為低阻態，吸收一個大電流，從而將其兩端間的電壓箝位在一個較小的數值，保護后面的電路元件不因瞬態高壓的沖擊而損壞。
3．3．3 電源電路的設計
目前車輛的電平電壓多數是24 V，而參數測試裝置正常工作時，控制器所需的供電電壓為3 V，內部其他器件所需的電壓為5 V。為保證參數測試裝置的正常工作，需要由車載電瓶將電壓轉換為+3 V、+5 V為參數測試裝置供電。
4 結束語
將上述硬件系統和電源系統、通訊單元等外圍電路制作成印制電路板，通過測試，該電路運行良好，而且在掉電和意外情況下能夠快速完整的將車輛散熱系統運行過程中的動態數據存儲起來，并通過顯示器顯示當前通道的動態參數值，實現了車輛散熱系統參數測試電路的設計要求。
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