一种基于I2C总线的燃油测量控制系统

技术领域

本发明涉及燃油测量技术领域，具体地说，涉及一种基于I2C总线的燃油测量控制系统。

背景技术

随着数字技术的发展，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术，由于系统的实际对象往往都是一些模拟量，然而绝大多数控制器无法直接处理模拟信号，因此需要A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号，一般方法是采用并行A/D转换芯片，但是其接口电路比较繁琐且占用太多I/O引脚；外部数据存储器可以保存用户程序文件和用户原始数据，也可保存系统运行时的各种状态信息以及中间结果，传统的扩展方法太过于繁琐，占用控制器太多的资源，而且在掉电数据保护的场合，需要更快速率进行数据传输，传统的方法无法满足要求；在控制系统中，常常会接收其他设备的离散量信号以响应某事件的发生，一般是将其与控制器的I/O口相连，通过读取I/O口状态来识别，然而一个系统中开关量信号数量少则几个，多则数十个，通过I/O口来识别离散量信号是不现实的。

目前采用I2C总线接口的芯片越来越多，在仪器仪表、工业控制、数字家电等方面普遍得到应用。它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，该接口一般使用2条线：串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA。

发明内容

本发明针对现有燃油测量电路占用资源多、接口复杂、扩展性差的问题，提出一种基于I2C总线的燃油测量控制系统，包括数据处理模块、离散输入识别模块、离散输出控制模块；首先根据获取的外部离散信号识别外部离散信号的状态；然后根据外部离散信号的状态生成时序转换信号；最后根据时序转换信号生成控制信号，控制外部设备；基于I2C串行接口进行读写操作，完成模拟量到信号量的转换、实时参数及其数据保存以及离散信号读取，极大地简化了测量控制系统，通过微控制器的引脚输出转换时序，通过I2C总线读取串行数据，增强了系统的兼容性和通用性。

一种基于I2C总线的燃油测量控制系统，包括数据处理模块、离散输入识别模块、离散输出控制模块；

所述离散输入识别模块的输入端输入外部离散信号，输出端与所述数据处理模块的输入端连接；所述离散输出控制模块的输入端与所述数据处理模块连接，输出端与外部设备连接；

所述离散输入识别模块，用于获取外部离散信号，并根据所述外部离散信号识别所述外部离散信号的状态；

所述数据处理模块，用于根据所述外部离散信号的状态，生成时序转换信号；

所述离散输出控制模块，用于根据所述时序转换信号，生成控制信号，控制所述外部设备。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述离散输入模块包括芯片U1、第一光电隔离电路；

所述第一光电隔离电路包括限流电阻R1、上拉电阻R2、第一光电隔离器；

所述第一光电隔离器的第一端与所述限流电阻R1连接，所述第一光电隔离器的第二端输入外部离散信号，所述第一光电隔离器的第三端与地端连接，所述第一光电隔离器的第四端与所述上拉电阻R2、所述芯片U1的DIS接口连接；

所述芯片U1的SCL接口和SDA接口与所述数据处理模块连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述离散输出控制模块包括芯片U6、第二光电隔离电路；

所述第二光电隔离电路包括第二光电隔离器、限流电阻R3；

所述第二光电隔离器的第一端与所述限流电阻R3连接，所述第二光电隔离器的第二端与所述芯片U6的OUT接口连接，所述第二光电隔离器的第四端与地端连接，所述第二光电隔离器的第五端与所述外部设备连接；

所述芯片U6的SCL接口和SDA接口与所述数据处理模块连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述基于I2C总线的燃油测量控制系统还包括电源模块；所述电源模块包括第一滤波电路、闪电防护电路、防反接电路、DC-DC变换电路、第二滤波电路；

所述第一滤波电路的输入端与28V电源连接，输出端与防反接电路的输入端连接；

所述闪电防护电路的一端搭接在所述第一滤波电路的输出端与所述防反接电路的输入端之间，另一端搭接在所述DC-DC变换电路的输入端与地端之间；

所述第二滤波电路的输入端与所述DC-DC变换电路的输出端连接，所述第二滤波电路的输出端输出5V电压信号，并与所述数据处理模块、所述离散输入识别模块、所述离散输出控制模块连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述基于I2C总线的燃油测量控制系统还包括数据存取模块；

所述数据存取模块通过I2C接口与所述数据处理模块连接；

所述数据存取模块，用于根据设置的DATAWR_WP信号从所述数据处理模块获取燃油测量控制系统状态和燃油系统控制参数，并存储。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述数据存储模块为铁电存储器U2；

所述铁电存储器U2的第一端和第二端与电源模块连接，所述铁电存储器U2的第五端和第六端通过I2C总线与所述数据处理模块连接，所述铁电存储器U2的第七端输入DATAWR_WP信号。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述基于I2C总线的燃油测量控制系统还包括A/D模数转换模块；所述A/D模数转换模块的输入端与所述数据处理模块的输出端连接，所述A/D模数转换模块的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明基于I2C串行接口进行读写操作，完成模拟量到信号量的转换、实时参数及其数据保存以及离散信号读取，极大地简化了测量控制系统，只需要2根线即可实现输入/输出，满足了数据采集系统的要求。

(2)本发明通过I2C总线向A/D转换器发送控制命令实现模拟量到数字量的转换，开关量识别模块通过微控制器的引脚输出转换时序，通过I2C总线读取串行数据，增强了系统的兼容性和通用性。

附图说明

图1是本发明提供的基于I2C总线的燃油测量控制系统结构示意图。

图2是本发明提供的数据处理模块电路原理示意图。

图3是本发明提供的晶振电路原理示意图。

图4是本发明提供的复位电路原理示意图。

图5是本发明提供的JTAG接口原理示意图。

图6是本发明提供的通讯接口原理示意图。

图7是本发明提供的A/D模数转换模块电路原理示意图。

图8是本发明提供的数据存取模块电路原理示意图。

图9是本发明提供的离散量输入识别模块芯片U1的电路原理示意图。

图10是本发明提供的离散量输入识别模块第一光电隔离电路的电路原理示意图。

图11是本发明提供的离散量输出控制模块芯片U6的电路原理示意图。

图12是本发明提供的离散量输出控制模块第二光电隔离电路的电路原理示意图。

图13是本发明提供的电源模块电路原理示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

本实施例提供一种基于I2C总线的燃油测量控制系统，如图1所示，包括数据处理模块、离散输入识别模块、离散输出控制模块；

所述离散输入识别模块的输入端输入外部离散信号，输出端与所述数据处理模块的输入端连接；所述离散输出控制模块的输入端与所述数据处理模块连接，输出端与外部设备连接；

所述离散输入识别模块，用于获取外部离散信号，并根据所述外部离散信号识别所述外部离散信号的状态；

所述数据处理模块，用于根据所述外部离散信号的状态，生成时序转换信号；

所述离散输出控制模块，用于根据所述时序转换信号，生成控制信号，控制所述外部设备。

工作原理：本实施例首先根据获取的外部离散信号识别外部离散信号的状态；然后根据外部离散信号的状态生成时序转换信号；最后根据时序转换信号生成控制信号，控制外部设备。

实施例2：

本实施例在上述实施例1的基础上，以一个具体的实施例进行详细说明。

如图1所示，数据处理模块通过I2C总线与A/D模数转换模块、数据存取模块、离散量输入识别模块、离散量输出控制模块和其他扩展模块连接。A/D模数转换模块将转换结果通过I2C总线回送到数据处理模块进行处理，数据存取模块将燃油测量控制系统状态、实时重要参数通过I2C总线写入到数据存取模块中；离散量输入识别模块用于识别外部离散(如地/开)信号的状态识别；离散量输出控制模块用于泵/阀这类外部设备的控制。

在图1中，基于I2C总线的燃油测量控制系统包括电源模块、含有微处理器的数据处理模块、A/D模数转换模块、数据存取模块和离散量输入识别模块和离散量输出控制模块，A/D模数转换模块用于将模拟量转换为数字量，数据处理模块通过具有可扩展I2C接口连接A/D模数转换模块、数据存取模块和离散量输入识别模块、离散量输出控制模块，所述A/D模数转换模块、数据存取模块和离散量输入识别模块、离散量输出控制模块通过I2C总线电连接数据处理模块，在数据处理过程前后产生的数据通过I2C总线写入到数据存取模块；数据处理模块中的微控制器通过I2C总线向A/D模数转换器发送控制命令实现模拟量到数字量的转换，数据存取模块基于微控制器的I2C串行接口对FRAM存储芯片的读写操作，完成实时参数及其数据保存，离散量输入识别模块、离散量输出控制模块通过微控制器的引脚输出转换时序，待转换完成后，从I2C总线读取微控制器的串行数据，最后通过I2C总线读取12位数据并对其进行处理。

如图2所示，数据处理模块可以采用AVR单片机U3作为数据处理器，该数据处理器可以选用型号为ATMEGA16。其中RESET信号与复位电路和JTAG接口连接，用于单片机复位；OSC1和OSC2信号与晶振电路连接，用于产生单片机所需时钟信号；SCL和SDA信号为I2C总线时钟和数据信号，用于实现I2C模块数据写入和读取操作；TCK、TMS、TDO、TDI信号与JTAG接口连接，用于仿真器烧录和仿真单片机程序；RXD和TXD信号于通讯接口连接，用于实现与外部设备进行RS-422通讯。

在图3中，晶振电路由晶振X1、起振电容C2和C3组成，为微处理器U3电路提供8MHz时钟信号，确保单片机按照预定程序执行。

在图4中，复位电路主要由电阻R1和电容C1组成，用于上电时为微处理器U3提供一个复位脉冲，确保单片机正常复位，其中发光二极管D1和电阻R2为电源指示电路，用于指示电源+5V是否正常。

在图5中，JTAG接口主要为J2插座与微处理器U3相关信号连接实现，通过仿真器进行程序仿真和程序烧录等功能。

在图6中，通信接口主要由D210隔离型RS-422接口芯片ADM2687EBRIZ及其外围电路组成，实现前后端电气隔离，其中V201和V202是瞬态抑制二极管，用于保证信号电压在可控范围之内，电阻R209-R211为限流电阻，防止信号线上出现大电流情况。

在图7中，A/D模数转换模块可以采用由带有I2C接口的转换芯片U4组成，数据处理模块通过I2C总线向A/D转换芯片写入相应的控制命令实现转换，并将结果通过I2C总线回送到数据处理模块进行处理。

在图8中，数据存取模块实质为带I2C总线接口的外接数据存储器，可将燃油测量控制系统状态、实时参数等重要参数通过I2C总线写入到数据存取模块中，可通过I2C总线将数据读出用于分析。数据存取模块可以采用由铁电存储器U2实现。其中，DATAWR_WP信号为数据写入保护，只有当该信号设置为低电平时才能向U2中写入数据，从而避免数据为误写情况。数据处理模块处理后的数据可以通过I2C总线写入到铁电存储器中，也可通过I2C总线从存储器中读取相关数据参与运算。

在图9和图10中，离散量输入识别模块主要由带有I2C接口的I/O扩展芯片U1和光电隔离电路组成，图9中，U1可以实现16路(DIS_01-DIS_16)路离散量输入识别，图10中，使用光电隔离器件D110对外部输入信号进行隔离，光耦前端增加限流电阻，确保光耦正常工作，光耦后端上拉5V，直接与图9中U1连接，当光耦前端输入地信号时，微处理器检测到状态为0，反之，微处理器检测到状态1。

在图11和图12中，离散量输出控制模块主要由带有I2C接口的I/O扩展芯片U6和光电隔离电路组成，图11中，U1可以实现16路(OUT_01-OUT_16)路离散量输出，图12中，使用了光电隔离器件(固态继电器)D111进行隔离，固态继电器前端增加限流电阻，确保固态继电器正常工作，当控制信号(OUT_01-OUT_16)为低电平时，固态继电器前端发光二极管工作，固态继电器输出端导通，外部设备接入28VGND，设备开始工作；当控制信号为高电平时，固态继电器前端发光二极管不工作，固态继电器输出端断开，设备与28VGND断开，设备停止工作。

在图13中，电源模块包括滤波电路、闪电防护电路、防反接电路和DC-DC变换电路，穿心电容C1和C2以及L1滤除输入电源杂波，提高电磁兼容能力，TVS管V1和V2对电源输出信号进行保护，当电压超出预期范围时，TVS管导通并钳位到预期电压值，从而保护后级电路；N1为DC-DC变换电路，将外部28V电压转换为5V，为后级电路供电；滤波绕线电感Z1可以抑制5V电源上的共模干扰，滤波电容C3和C4对电源进一步进行滤波，保证输出的+5V电压满足后级电路对电源品质的要求。

工作原理：本实施例针对传统的硬件电路设计方法占用资源多、接口复杂、扩展性差等缺点，提供一种电路简单、兼容性强、通用性好，访问速率快、扩展能力强的燃油测量控制系统。

本上述目的可以通过以下措施来达到，基于I2C总线的测量控制系统包括电源模块、数据存取模块、A/D模数转换模块、数据处理模块、离散量输入识别模块和离散量输出控制模块，一般的微控制芯片I2C接口的个数不能满足实际需求，为了能控制多个具有I2C接口的外围器件，可以通过各芯片的硬件地址来实现；数据处理模块中的微控制器通过I2C总线向A/D模数转换器发送控制命令实现模拟量到数字量的转换，最后通过I2C总线读取数据并对其进行处理；离散量输入识别模块由微控制器的引脚输出转换时序，待转换完成后，通过I2C总线读取串行数据；在数据处理过程前后产生的数据均可以通过I2C总线写入到数据存取模块。

本实施例电路简单，基于I2C串行接口的单片机对A/D转换芯片、FRAM存储芯片、I/O扩展芯片等外围功能芯片进行读写操作，完成模拟量到信号量的转换、实时参数及其数据保存以及离散信号读取等功能的测量控制系统。数据处理模块通过I2C总线并联接A/D采样模块、数据存取模块、离散量输入识别模块和离散量输出控制模块，极大的简化了硬件电路设计。各器件间的连接简洁明了，简化了测量控制系统。系统中核心器件均带有I2C接口，用I2C总线来实现数据的读取，I2C总线只需要2根线即可实现输入/输出，能够满足数据采集系统的要求。

本实施例具有硬件结构简单，软件编程容易的特点。采用I2C总线接口不仅可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性，而且I2C总线可在软件的控制下构成各种系统，

本实施例具有兼容性强、通用性好的特点，在数据处理模块中采用微控制器通过I2C总线向A/D转换器发送控制命令实现模拟量到数字量的转换，开关量识别模块通过微控制器的引脚输出转换时序，通过I2C总线读取串行数据，增强了系统的兼容性和通用性。

本实施例具有可扩展能力强的特点，数据处理模块通过各芯片的硬件地址线，通过SCL和SDA并联接A/D采样模块、数据存取模块、离散量输入识别模块和离散量输出控制模块，增加了系统的可扩展性。

本实施例由于各模块均采用I2C总线方式，只需选用具有I2C接口的功能芯片挂载到I2C总线上即可完成系统扩展，从而简化了硬件电路设计，同时软件上可以完全复用I2C相关代码，软件复用性较好，可缩短软件开发周期。

本实施例通过只有1个I2C接口的微控制芯片控制外部数据存储器、A/D转换芯片以及移位寄存器等多个具有I2C接口的外围器件，可以为飞机、汽车、轮船等系统提供模拟量采集接口、关键数据存取接口、开关量信号采集接口。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。