王曉華

摘 要： 傳統(tǒng)二次儀表式稱(chēng)重傳感器是將Wheatstone電橋輸出的模擬信號(hào)送到二次儀表，經(jīng)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后顯示輸出，具有傳輸距離短，組網(wǎng)能力有限，二次放大會(huì)引入誤差等缺點(diǎn)。這里將車(chē)載稱(chēng)重系統(tǒng)中的稱(chēng)重傳感器信號(hào)直接數(shù)字化，并引入CAN總線(xiàn)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)容錯(cuò)性強(qiáng)、通信速率高等特點(diǎn)，提高了車(chē)載稱(chēng)重系統(tǒng)的精度和數(shù)據(jù)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)了一個(gè)主控器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)高精度稱(chēng)重傳感器節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)直接連接到CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線(xiàn)的車(chē)載高精度稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 稱(chēng)重傳感器； CAN總線(xiàn)； 信號(hào)數(shù)字化； 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）13?0038?03

Abstract： The traditional weighing sensor with secondary meter mode sends the analog signal output by Wheatstone bridge to the secondary meter， which will displayed and output after amplification and A/D conversion. It has the defects of short transmission distance and limited networking performance， and may bring in the error due to the secondary amplification. The weighing sensor signal in the vehicle?mounted weighing system is digitized directly. The CAN bus is introduced into the system. By means of the characteristics of strong fault tolerance and high communication rate， the precision of the vehicle?mounted weighing system， reliability and real?time performance of the data communication are improved. A node of the master controller and multiple nodes of high?precision weighing sensor were designed， and connected to the CAN bus network directly. The design of the vehicle?mounted high?precision weighing system based on CAN bus was realized.

Keywords： weighing sensor； CAN bus； signal digitization； node design

0 引 言

CAN總線(xiàn)技術(shù)源自20世紀(jì)80年代的德國(guó)，最早是BOSCH公司用來(lái)解決汽車(chē)內(nèi)部復(fù)雜的硬件信號(hào)接線(xiàn)[1?2]。目前，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、測(cè)試系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，與一般RS 485，RS 232通信協(xié)議不同的是，CAN總線(xiàn)具有比較高的可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、數(shù)據(jù)完整性以及可用性[3?5]，并且CAN總線(xiàn)經(jīng)過(guò)了ISO11898和ISO11519標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證[6?7]。具有以下特點(diǎn)：采用多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間可以在任意時(shí)刻相互傳遞信息，無(wú)主從之分，通信方式極為靈活；可劃分優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)性好；傳輸距離遠(yuǎn)，通信速率高；CAN編碼節(jié)點(diǎn)數(shù)量不受限制；采用非破壞性總線(xiàn)裁決技術(shù)，保證優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)信息傳輸；檢錯(cuò)效果好、出錯(cuò)率低，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉輸出功能[8?9]。

目前，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采用的稱(chēng)重傳感器主要是二次儀表式，也就是采用數(shù)顯儀表作為顯示器[10]。基本原理是激勵(lì)并接收Wheatstone電橋產(chǎn)生的模擬電信號(hào)，隨后進(jìn)行二次放大、A/D轉(zhuǎn)換，最后顯示數(shù)字量。但是存在比較大的問(wèn)題：模擬信號(hào)抗干擾能力差，要求傳輸信號(hào)的線(xiàn)路越短越好；二次儀表提供的信號(hào)輸入口的數(shù)量固定，限制了Wheatstone電橋數(shù)量，出廠后不易改變[11?12]。高精度稱(chēng)重傳感器在模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后，舍去二次放大信號(hào)，采用Σ?Δ原理和斬波技術(shù)增強(qiáng)了抗干擾能力，A/D轉(zhuǎn)換電路更加適用于高精度儀表系統(tǒng)。此外，高精度稱(chēng)重傳感器采用CAN總線(xiàn)通信，使系統(tǒng)容量增大、信號(hào)傳輸距離增加、抗干擾能力增強(qiáng)，并能保證高精度[13?14]。

本文針對(duì)高精度稱(chēng)重傳感器網(wǎng)絡(luò)，引入CAN總線(xiàn)技術(shù)，并設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。雖然該設(shè)計(jì)是結(jié)合實(shí)際控制和測(cè)試需要而進(jìn)行的，但是由于CAN通信協(xié)議和硬件電路具有較高的可移植性，因此該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到其他場(chǎng)所，具有重要意義。

1 高精度稱(chēng)重傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由基于CAN總線(xiàn)的傳感器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控主機(jī)組成。稱(chēng)重傳感器的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊后，將數(shù)字信號(hào)通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)，主機(jī)主要負(fù)責(zé)接收和處理數(shù)據(jù)?；贑AN總線(xiàn)的稱(chēng)重傳感器節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

該傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由三部分組成：信號(hào)調(diào)理模塊、微處理器單元、CAN總線(xiàn)控制電路。稱(chēng)重傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路圖如圖2所示。

1.2.1 信號(hào)調(diào)理電路

稱(chēng)重傳感器一般是Wheatsone電橋結(jié)構(gòu)，受到重力或壓力作用，應(yīng)變片會(huì)隨著傳感器結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的電阻效應(yīng)，其中應(yīng)變片電阻值的變化反映了被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變變化。傳統(tǒng)二次儀表式稱(chēng)重傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示，由于應(yīng)變電橋輸出電信號(hào)比較微弱，為滿(mǎn)足測(cè)量精度會(huì)進(jìn)行放大、二次濾波，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后輸出給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這樣一來(lái)就導(dǎo)致數(shù)據(jù)的傳輸距離短，精度低，尤其是對(duì)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)量系統(tǒng)就更加不利。

為了提高稱(chēng)重傳感器的穩(wěn)定性和精度，并且更加適應(yīng)于動(dòng)態(tài)測(cè)量。本系統(tǒng)將采用Σ?Δ型A/D轉(zhuǎn)換器和斬波技術(shù)，MAX1402是串行數(shù)據(jù)輸出，并且具有200 μA的內(nèi)置激勵(lì)電壓源，該功能模塊具有開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、調(diào)制器、PGA、緩沖器、振蕩器及集成于模塊內(nèi)部的數(shù)字濾波器和雙向串行通信接口。采用REF43基準(zhǔn)電壓源來(lái)穩(wěn)定輸出電壓信號(hào)，精度可達(dá)0.1%，新的調(diào)理電路如圖4所示。

1.2.2 微處理單元

微處理器模塊（MCU）是該傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心，主要用于完成數(shù)據(jù)的采集、處理和數(shù)據(jù)輸出及調(diào)度等。本系統(tǒng)采用的MCU是高性能、低功耗的AVR 8位處理器C8051F550，該單片機(jī)具有32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，2 KB的RAM和2 KB的ROM，另外，還具有8路12位的ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，最高分辨率可達(dá)15 KB/scan，并且能夠通過(guò)SPI進(jìn)行接口擴(kuò)展，并通過(guò)SPI總線(xiàn)連接CAN控制器MCP2510，同時(shí)在工作中還能夠?qū)AN協(xié)議模塊進(jìn)行調(diào)度，完成MCU與CAN總線(xiàn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)采用的CAN驅(qū)動(dòng)器是PCA82C251，該驅(qū)動(dòng)器主要是作為物理總線(xiàn)和CAN控制器之間的接口，能夠?yàn)镃AN總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力并為CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。本系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)器具有很好的總線(xiàn)傳輸速率，最高傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，并且能夠?yàn)榭偩€(xiàn)提供瞬時(shí)保護(hù)能力，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

1.2.3 CAN總線(xiàn)控制電路

CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊是實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接的關(guān)鍵位置，該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)接口模塊擴(kuò)展的CAN控制模塊，直接將傳感器節(jié)點(diǎn)接入CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。其中總線(xiàn)控制電路如圖5所示。CAN總線(xiàn)控制模塊MCP2510通過(guò)SPI總線(xiàn)與微處理器相連接，同時(shí)在CAN控制器和總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊之間加入光電隔離電路，這樣一來(lái)就大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。其中CAN控制器硬件電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN通信協(xié)議，也就是說(shuō)微處理器不直接參與CAN通信協(xié)議的處理，從而為稱(chēng)重傳感器的數(shù)據(jù)處理提供更多的系統(tǒng)資源。

2 軟件設(shè)計(jì)

在CAN通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的軟件和硬件是一樣的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)軟件主要由CAN通信軟件、應(yīng)用層協(xié)議軟件、數(shù)據(jù)管理中心（微處理器RAM中的分配表）組成。稱(chēng)重傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：保證CAN總線(xiàn)最大傳輸速率；保證采樣數(shù)據(jù)的完整性。

該稱(chēng)重傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)適用于車(chē)載系統(tǒng)，為了使節(jié)點(diǎn)的功能更加直接明了，軟件流程也應(yīng)清晰，本系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示。

當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上電后，需要對(duì)MCU和SJA1050進(jìn)行復(fù)位，只有復(fù)位后才能進(jìn)行MCU自身和SJA1050的初始化。隨后，對(duì)稱(chēng)重傳感器網(wǎng)絡(luò)中的控制器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的程序，控制器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從CAN總線(xiàn)上接收信號(hào)，稱(chēng)重傳感器節(jié)點(diǎn)則向CAN總線(xiàn)發(fā)送信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行與測(cè)試。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)需要設(shè)計(jì)了基于CAN總線(xiàn)的高精度承重傳感器的節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)，以C8051F550作為主控器，采用模擬數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的搭建，基于CAN總線(xiàn)通信電路，設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了多節(jié)點(diǎn)主從模式通信實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基于CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)的承重傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)硬件電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高；在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中傳感器的增加不會(huì)影響系統(tǒng)體積，并簡(jiǎn)化了線(xiàn)路布局。采用具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的A/D轉(zhuǎn)換器大大降低了系統(tǒng)主機(jī)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也增大了系統(tǒng)擴(kuò)展的靈活性。因此，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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