數字傳感器系統的研究與實現

張 慧，張國軍，薛 南，薛晨陽，劉林仙，葛曉洋

(中北大學a.電子測試技術重點實驗室;b.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

在高度發展的現代工業中，為滿足工業控制的需要，現代測試技術的發展趨于數字化、信息化方向。傳感器的出現極大地促進了測試技術的發展，它作為測試系統的最前端，是整個測試系統的靈魂。數字傳感器具有信號濾波功能，在傳輸過程中抗干擾能力強，具有較高的穩定性和測量精度，可實現遠距離測量和監測功能［1］。因此，它適用于要求高穩定性、高精確度的檢測系統。

1 總體設計說明

水聲傳感器通過振動輸出模擬信號，經微處理器對該信號進行誤差修正和濾波處理，使用CAN總線進行傳輸，完成采集信號的數據分析，將模擬加速度信號轉換為數字信號，處理后的數據經過緩沖傳輸到中控機或其他CAN節點進行存儲。為了驗證傳輸數據的正確性，設計額外的CAN接收模塊，通過傳輸前后數據對比以驗證其正確性，其流程圖如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖

2 濾波電路設計

信號從傳感器輸出后，信號調理電路對其進行適當的調理，即對信號進行放大、緩沖，定標模擬信號，將信號控制在A/D轉換電壓范圍之內。信號必須在形式、幅度、信噪比、轉換靈敏度和精度等方面達到中央處理器的要求［2］，才能送入模數轉換器，因此必須對信號進行濾波，濾掉信號中的雜波成分，這樣才能提高傳感器數字化后的精度［3］。

2.1 高通濾波

本設計選擇OPA4340作為高通濾波的有源運放，其增益穩定、頻率范圍寬。調節該電路中反饋元件C、R，使f=f0時電壓放大倍數數值增大，又不會產生自激振蕩。具體電路如下圖2所示。

根據要求設置各元器件的參數，使Aup≈1 A，fp=1 kHz。

模擬振動傳感器的信號輸入后，得到的幅頻特性曲線如圖3所示。由圖3可以看到頻率在0～1000 Hz內，基本保持0 dB。

2.2 低通濾波

由上式知，截止頻率由引腳CLK的外接電容的大小控制。根據上述原理，得到低通濾波電路圖(如圖4)及其仿真結果圖(如圖5)。其fosc=1 kHz。

圖4 低通濾波電路

至此，按要求實現了加速度模擬電壓輸出的基本無放大濾波。

圖5 低通濾波仿真電路的幅頻特性(截圖)

3 數據的轉換傳輸

3.1 A/D轉換

對模擬傳感器的輸出信號進行A/D轉換是設計數字傳感器的必要過程。在傳感器數字化系統設計過程中，考慮系統緊湊性，選用微處理器集成的A/D轉換器。

傳感器信號經濾波等預處理后，以均勻間隔對模擬信號進行抽樣并且在每個抽樣運算后在足夠的時間內保持樣值恒定，以保證輸出值可以被A/D轉換器精確轉換［4］。設置相應寄存器，對模擬信號進行轉換。圖6是A/D轉換的程序流程圖。

圖6 A/D轉換流程

將振動傳感器的輸出信號進行轉換后，將所得到數據進行相應誤差處理經串口傳送至計算機，利用MATLAB對處理信號進行仿真，得到振動信號電壓輸出。

3.2 數據傳輸接口總體設計

考慮到應用方面，設計了CAN總線和RS-232串口通信兩種方式。在傳輸過程中，為解決速度不匹配問題，還需要對數據進行緩沖［5］。

3.2.1 CAN總線設計

1)硬件設計

硬件選用MC9S12XS128單片機，內部集成了CAN控制器，它可以控制從總線上接收或發送報文。使用CAN總線驅動芯片TJA1050，它是CAN控制器和物理總線之間的接口，通過其引腳8可選擇高速和待機模式，還可以為總線提供差動發送性能［6］。為避免過流沖擊，將CANH和CANL引腳與CAN總線之間均連接一個5 Ω的電阻;為濾除總線上的高頻干擾和降低電磁輻射，將CANH和CANL與地之間各自并聯1個30 pF的電容。其電路如圖7所示。

圖7 CAN總線驅動器

如圖8將發送引腳TX0和接收引腳RX0通過高速光耦TLP113后與收發器TJA1050相連以增加總線的抗干擾能力［7］。

圖8 高速光耦電路

2)軟件設計

CAN總線控制器在每次上電或軟件復位后，必須通過初始化設置其通信工作參數，這是關系到能否成功建立通信的關鍵問題。初始化程序主要完成對相關參數清零，對一些定時器、計數器等進行設置，然后清除復位標志，就可以實現CAN節點與總線之間的通信［8］。

CPU與物理總線之間的數據傳輸是受CAN控制器中斷協調的。當接收緩存器滿時，CAN控制器發出中斷請求，通知CPU將數據取走;當發送緩沖器數據發送完，亦出中斷請求，就可以繼續寫入新的數據［9］。流程圖如圖9所示。

3.2.2 RS-232串行通信口設計

由于MC9S12XS128單片機內部集成了異步串行通信接口模塊SCI，同時有完整的串口接口電路。因此，本設計主要完成串口通信的程序設計即可，即設計SCI串口通信程序，主要是掌握8個寄存器，設置好初始化。

圖9 程序的流程圖

4 測試實物及結果

本實驗驗證了數據化傳感器系統的正確性與可靠性。將接收模塊收到的信號進行進一步處理，然后與理論數據結果比較，來驗證振動加速度大小與模擬輸出電壓的測量關系和相應的理論關系的相符性。其實物如圖10所示。

圖10 實驗實物圖

圖11為計算機接收到的加速度傳感器輸出部分數據，由圖11知采用處理器芯片波特率為256000 Baud，每毫秒發送一個數據，采用8位精度，通過AN00通道進行模數轉換，接收到得加速度信號以16進制的方式顯示在串口調試軟件上。

利用采集數據得到加速度大小，與輸出電壓大小做對比，得出測量關系如圖12所示。

通過圖12結果可知，經過模數轉換后得到的結果和實際振動信號是相符的，并且根據結果擬出的振動加速度大小和模擬電壓輸出的關系理論關系基本一致。

5 結論

利用微處理器對振動信號進行了數字緩沖處理和誤差修正;增加濾波電路，減小噪聲對信號的影響，提高了傳感器精度;實現了傳感器數字信號的實時傳輸與監控。

［1］劉俊，柳春圖，張常年，等.數字傳感器及其應用［J］.測控技術，2000，19(5):29-31.

［2］劉文怡，韓志軍.基于IEEEl451標準接口的智能傳感器硬件設計［J］.電子設計工程，2009，17(3):106-110.

［3］姚丹.一種LVDT精密測長儀的仿真研究［D］.大連:大連理工大學，2009.

［5］ISO 11898，Road vehicles-Interchange of digital information-Controller area network(CAN)for high-speed communication.International Standard Organization［S］.1993.

［6］TJA1050 CAN high-speed transceiver［EB/OL］.［2012-05-05］.http://wenku.baidu.com/view/21d1731959eef8c75fbfb3bd.html.

［7］吳強，吳堅.基于CAN總線的溫度測量節點設計［J］.山西電子技術，2011(3):36-37.

［8］蔡華鋒，廖冬初，潘健，等.C8051F040中CAN控制器的應用［J］.單片機及嵌入式系統應用，2005(1):55-58.

［9］鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1996.