基于CAN總線的應力變送器設計

天地（常州）自動化股份有限公司 李冠華

1.引言

當金屬絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值將發生變化，這種效應稱為電阻應變效應；金屬絲受到軸向拉力時，其長度增加而橫截面變小，引起電阻增加；反之，當它受到軸向壓力時則導致電阻減小[1]。利用金屬絲的這種特性可將力、壓力、位移、應變、扭矩、加速度等被測量的變化轉換成傳感器元件電阻值的變化，再經過轉換電路變成電信號輸出，即通常所說的應變傳感器。本文利用應變電阻設計了一種基于CAN總線的應力變送器，可用于張緊絞車等地方的拉力檢測。

2.應力變送器硬件電路設計

應力變送器的硬件電路主要由信號采集放大電路，按鍵電路，顯示電路，CAN總線輸出、頻率輸出電路幾部分組成。

2.1 信號采集、放大電路

將需要檢測的應力通過應變電阻轉化成變化的電阻信號，通過惠斯通電橋將變化的電阻信號裝換成電壓信號輸出（如圖1所示）。

圖1中由R1、R2、R3、R4組成電橋，其中R4為應變電阻，Vref給電橋供電，AD+、AD-為電橋輸出的隨應力變化而改變的差分電壓信號。因為AD+，AD-的差值只有毫伏級，電橋電源的微小波動都會對輸出信號產生影響，導致放大采樣后的大誤差。基于此考慮電橋電源采用了精密基準源LM4040AIM3-8.192（見圖2）供電，精度達到±0.1%，100ppm/°C，保證輸出信號的精度。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5 CAN總線收發電路

圖6 頻率輸出電路

圖7 電路設計如圖

圖8 引腳與單片機連接

圖9 主程序框圖

圖10 程序框圖

圖11 傳感頭的安裝

電路設計為測試拉力在0～10t變化時AD+,AD-兩腳的壓差在0～10mV,由于信號非常微弱，因此需要將其放大后再引進單片機AD采樣。放大電路采用儀表放大器AD623，它是美國模擬器件公司推出的一種低價格、單電源、輸出擺幅能達到電源電壓的儀表放大器[2]。AD623直流增益精度為0.1%(G=1)，增益漂移25ppm(G=1)。另外它的輸入共模范圍很寬，應用非常簡單，使用一只外接電阻即可設置高達1000的增益，從而給用戶帶來極大方便。如圖3。

圖中網絡標號ANI腳輸出電壓UANI=(VAD+ - VAD-)*(1+100k/R10)。由公式可得，只要調節R10即可改變增益，從而可以很方便選取我們所需要的放大倍數。

圖1，圖2，圖3中的電阻均采用低溫漂的精密電阻。

2.2 單片機選用

應力變送器單片機采用microchip公司的PIC18F2480（圖4），總共有28腳，芯片內集成了CAN控制器，簡化了開發；另外，芯片內部還集成了EEPROM，調校完成后可將調校參數存儲，而不用每次上電都重新調校。

2.3 CAN總線接口電路

CAN總線收發電路如圖5。

接口電路中收發器采用AMIS42675[3]，經過實驗驗證，其驅動的總線電平高于常用的PCA82C250，并且其功耗要小于PCA82C250。CAN總線接口與MCU之間采用雙路磁耦ADUM1201隔離。相比于高速光耦，磁耦時延小，并且其功耗也小很多。F13，F15，F16為瞬態抑制二極管，當總線上受到大的尖峰脈沖干擾的時候，能夠對總線起到保護作用。

2.4 頻率輸出電路

圖6中是頻率輸出電路，由于輸出信號需要具備一定的驅動能力，因此在輸出側通過三極管V6增加輸出頻率信號的驅動能力。頻率信號的正、負脈沖寬度不小于0.3ms，高電平不小于3V（拉出電流2mA），低電平不大于0.5V。L2為共模扼圈，F6為TVS管，用于濾除線上瞬變干擾。

2.5 按鍵電路設計

應力變送器設有3個按鍵，用于出廠調校。兩個鍵用于參數的增減，另外一個鍵用于功能確認。電路設計如圖7，按鍵不按時單片機引腳檢測為高電平，按下后變為低電平。

2.6 顯示電路設計

應力變送器需要人機交互的信息很少，主要是指示實際拉力以及調校時用于顯示輸出值，因此采用常見的2行16個字的液晶模塊LCD1602即可。字符型LCD 通常有14條引腳線(8位數據線D1～D2，2根電源線VCC、GND，1根液晶顯示偏壓線VL，數據/命令選擇線RS，讀/寫選擇線RW，使能線E)或16條引腳線兩種，多出來的2條線是背光電源線BL+(15腳)和地線BL-(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。 引腳與單片機連接見圖8。

3.應力變送器軟件設計

由于器件的差異性，應力變送器出廠需要調校，而調校的數據存在EEPROM中，上電后初始化液晶顯示，讀取調校值。進入主循環后對信號采樣計算，換算成對應的應力送液晶顯示，還有對應的CAN總線信號輸出、頻率信號輸出。若在運行過程中發現有功能鍵按下，則進入調校程序。主程序框圖見圖9。

3.1 初始化函數void Pup_Ini(void )

初始化函數主要對端口初始化，AD采樣初始化，液晶LCD1602初始化，定時器初始化，并且讀取EEPROM中的調校報警數值。

定時器設定一個固定中斷時間，主要用于程序的心跳。CAN總線數據定時發送、AD采樣間隔、液晶數據傳送間隔都以此為基準根據實際需要乘以整數倍。另外頻率信號的輸出也通過在定時器中翻轉I/O實現。

3.2 AD采樣

AD采樣是通過中斷來實現的，在中斷中讀出采樣值，并置標志位，在主循環中檢測到標志位后對數據進行處理。

數字濾波法有用于克服大脈沖干擾的數字濾波法，也有適用抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法。在實際應用中，有時既要消除大幅度的脈沖干擾，又要做數據平滑。因此常把前面介紹的兩種以上的方法結合起來使用，形成復合濾波。

應力變送器AD采樣軟件設計采用去極值平均濾波算法：先用中值濾波算法濾除采樣值中的脈沖性干擾，然后把剩余的各采樣值進行平均濾波。連續采樣N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N－2個采樣的平均值。顯然，這種方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾[4]。

3.3 CAN總線數據發送

CAN總線數據輸出采用定時發送的方式，數據的發送通過中斷完成。在上電時CAN總線初始化時將發送中斷使能位、發送中斷標志位都置位使其進入發送中斷。在中斷中將需要輸出的CAN總線數據填入發送緩沖區，并置位請求發送位。程序框圖見圖10。

3.4 LCD1602顯示程序

LCD1602的顯示主要要注意讀寫時序，對其進行每次讀寫操作前都必須進行讀寫檢測。每次LCD1602進行操作的時候，需要對其判斷是否處于忙的狀態。如果是處于忙的狀態，就需要等其忙完再對它進行讀寫操作。下面列出了LCD1602的讀寫函數。

void lcd_wcom(uchar com)//LCD1602寫命令函數

{

LATB1=0； //選擇指令寄存器

LATB0=0； //選擇寫

LATC=com； //把命令字送入

delay(5)； //延時一小會兒，讓1602準備接收數據

LATB4=1； //使能線電平變化，命令送入1602的8位數據口

LATB4=0；

}

void lcd_wdat(uchar dat) //LCD1602寫數據函數

{

LATB1=1； //選擇數據寄存器

LATB0=0； //選擇寫

LATC=dat； //把要顯示的數據送入

delay(5)；//延時一小會兒，讓1602準備接收數據

LATB4=1； //使能線電平變化，數據送入1602的8位數據口

LATB4=0；

}

4.調校

應力變送器設有3個按鍵，兩個鍵用于參數的增減，另外兩個按鍵一個用于鍵功能確認，按下后開始出廠標校，標校完成后將標校值存入EEPROM。需注意的是，實際硬件操作中，EEPROM的讀、寫都需要幾毫秒的時間，因此程序中對時間有要求的地方要考慮到。

5.安裝

本文開發的應力變送器目前主要應用在張緊系統中測試張力，產品設計為分立式結構。應變電橋封裝在傳感頭中，信號放大處理部分在另外一個外殼中，現場安裝時，信號放大處理顯示部分可放易見易觸摸的地方。傳感頭的安裝見圖11，傳感頭的兩側有兩個圓孔，通過這兩個空將應力部件串聯在需測拉力鋼纜中間，從而可測試出所測拉力。

6.結語

本文主要介紹了基于CAN總線的應力變送器軟硬件設計，該應力變送器硬件設計實用可靠，軟件設計考慮了抗干擾措施；并且具有液晶顯示，CAN總線、頻率信號輸出，接口豐富，可配接多類系統，在用戶中取得了良好的反響。

[1]劉迎春,葉湘濱.傳感器原理[M].國防科技大學出版社,2004,2.

[2]王建新,任勇峰,焦新泉.儀表放大器AD623在數采系統中的應用[J].微計算機信息.2007,23(3-1).

[3]謝兵,楊帆,吳紹輝.增大CAN總線傳輸距離的設計方案[J].工礦自動化,2010(5).

[4]程德福,林君.智能儀器[M].機械工業出版社,2009.

[5]李滿昌,石偉,孫健等.基于以太網的高速數據采集系統設計[J].工程與實驗,2010,50(2)：47-48.