符合CAN總線規范的熱敏電阻傳感節點設計

遼寧建筑職業學院 自動控制系，遼寧遼陽 111000

一、引言

熱敏電阻器（Thermally Sensitive Resistor， 簡 稱Thermistor）是一類常見的敏感元件，其典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現出不同的電阻值。熱敏電阻具有外形小、加工優秀、阻抗值大、阻抗溫度系數大、相對于1℃的溫度變化阻抗變化量大、信號層次高、電路簡單、價格便宜等諸多優點。在所有溫敏元件中，熱敏電阻占有極為重要的位置，占整個溫敏元件總量的幾乎40%。[1]

按照溫度系數不同分為正溫度系數熱敏電阻器（PTC）和負溫度系數熱敏電阻器（NTC）。通常所說的熱敏電阻指的是負溫度系數的熱敏電阻器。NTC熱敏電阻是一種以過渡金屬氧化物為主要原材料經高溫燒結而成的半導體陶瓷元件，它具有非常大的負溫度系數，電阻隨環節溫度變化，即在一定的測量功率下，電阻值隨溫度上升而迅速下降。利用這一特性，可通過測量NTC熱敏電阻的阻值來確定相應的溫度，從而達到檢測和控制溫度的目的。

控制器局域網（Controller Area Network, CAN）是一種串行通信協議，其傳輸速率可達1Mbps，能夠有效支持具有高安全等級的分布式實時控制。CAN總線標準由德國BOSCH公司開發，并最終成為國際標準（ISO 11898），其應用范圍非常廣泛，從高速的網絡到低價位的多路配線都可以使用CAN。CAN總線技術規范的目的是為了在任何兩個CAN器件之間建立電氣特性和數據解釋的層面的兼容性，實現設計的透明度和實施的靈活性。

本文所討論的傳感節點可以直接掛接在CAN總線框架下，與其他CAN總線器件進行通信和數據交互，實現設備之間互換性和互操作性。

二、熱敏電阻特性

熱敏電阻器是一種電阻值變化型的溫度傳感器，它的線性度不及鉑電阻，但是靈敏度非常高。其中AT系列非絕緣引線型NTC熱敏電阻的可靠工作溫度為-50℃～+125℃，精度可高達±0.1℃，并具有良好的耐熱循環能力和穩定性。熱敏電阻器的阻值與溫度之間的函數關系為：

式中，RT—熱敏電阻的電阻值，單位：Ω；

T—絕對溫度；

T0—基準溫度，通常把基準溫度定位0℃或者室溫；

R0—T0時對應的電阻值；

B—表示在T和T0之間電阻值變化相關的常數項。該值越大，相當于每變化1℃所引起的電阻值變化就越大。[3]

熱敏電阻的溫度-阻值特性曲線如圖1所示。

B值是負溫度系數熱敏電阻器的熱敏指數，它被定義為兩個溫度下零功率電阻值的自然對數之差與兩個溫度倒數之差的比值：

其中，RT1—表示溫度為T1時的零功率電阻；

RT2—表示溫度為T2時的零功率電阻。零功率電阻指25℃時測得的功率電阻值，它是熱敏電阻的設計電阻值，也是標稱電阻值。

B的值由25℃時的零功率電阻值計算得到，其在工作溫度范圍內并不一定是一個嚴格的常數。

三、熱敏電阻線性化電路

從圖1的熱敏電阻溫度-電阻特性曲線可以看出，熱敏電阻阻值對溫度變化的響應是非線性的，工程應用中需要對它進行線性化處理。具體操作方法是首先給Rt串聯一只合適的外部電阻Rex，則問題歸結為對輔助電阻Rex的計算，電路如圖2所示。

假設電路的輸入電壓是Vref，那么輸出電壓Vout則為：

計算Rex可遵循如下方法[3]：首先確定所有測量的溫度范圍（例如0℃～ +100℃）；在該溫度范圍內確定熱敏電阻在使用溫度下限的電阻值Rmin（對應于最低溫度，例如+100℃）和上限值Rmax（對應于最高溫度，例如0℃），并確定中間值Rmid（對應于中間溫度，這里為+50℃）；計算Rex可遵循下列計算公式[4]：

以103AT型NTC為例，在100℃時Rmin= 0.935kΩ，0℃時Rmax=27.28kΩ，中間值50℃時Rmid=4.160kΩ，帶入公式（4）計算可得：

串聯合適的Rex可改善NTC熱敏電阻的非線性，但當溫度范圍改變時，應重新計算Rex的值。

四、節點CAN總線設計

CAN屬于總線式串行通信網絡，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，也可以使用光纜連接，在數據通信方面具有可靠、實時和靈活的優點。CAN總線遵循 ISO/OSI標準模型，總線結構劃分為兩層: 物理層和數據鏈路層 (包括邏輯鏈路控制子層 LLC和媒體訪問控制子層MAC)。CAN的數據鏈路層是其核心內容，其中邏輯鏈路控制 (Logical Link control，LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復等功能，媒體訪問控制 (Medium Access control，MAC)子層完成數據打包 /解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。

由于CAN總線具有較強的糾錯能力， 支持差分收發， 因而適合高干擾環境，并具有較遠的傳輸距離。因此，CAN協議對于許多領域的分布式測控很有吸引力。[5]CAN在物理結構上屬于總線式通信網絡，系統的組成如圖3所示。

系統由上位監控機、傳感節點和現場設備三部分組成。上位機主要負責對系統數據的接受與管理、控制命令的發送以及各控制單元動態參數和設備狀態的實時顯示；傳感節點可以使現場設備方便地連接到CAN總線上，負責對現場的環境參數和設備狀態進行監測，對采集來的數據進行打包處理并將處理古的數字信號通過CAN通信控制器如SJA1000發送到CAN總線。智能節點的設計和選擇，對通信信號的傳輸發送有很的影響，系統中的數據傳送和接收，都是通過CAN總線接口實現。所以CAN總線接口電路的設計對CAN總線應用至關重要。

目前，一些知名半導體公司都生產CAN控制器芯片。其類型一種是獨立的CAN控制器，如82C200、SJA1000等；另一種是微處理器片內集成CAN控制器，如P8XC582。通常前者比較靈活、功能更強大；或者使電路設計簡化緊湊、效率提高。考慮到SJA1000支持CAN2.0A/B規范，本文所討論的傳感器節點采用Philips半導體公司的SJA1000獨立CAN總線控制器。SJA1000模塊結構如圖4所示[6]。

其中，接口管理邏輯（IML）用于解析主控制器的控制指令，控制CAN寄存器的尋址，向主控制器發送中斷信息和狀態信息；CAN核心模塊用來協調與總線收發器的同步并接收、發送數據報文；過濾器用于比較數據內容和接收到的標志碼，以決定是否接收該條報文；接收緩沖器用來存儲從CAN總線上接收并確認信息；發送緩沖器用來暫存數據報文并以隊列形式通過CAN核心模塊發送給總線收發器。

圖5中的PCA82C250是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，該器件對總線提供差動發送能力并對CAN控制器提供差動接收能力。這是全世界使用最廣泛的CAN收發器。PCA82C250是CAN控制器與物理總線間的接口，與IS011898標準完全兼容，可以對總線提供符合CAN電氣協議的差動發送和接收功能，另外它具有電流限制功能可對總線的進一步的保護功能。圖5給出PCA82C250的功能方框圖。

五、系統硬件設計

SJA1000可以與多種類型單片機接口，再加上收發器就可以組成一個CAN應用系統核心。SJA1000 在電路中是一個總線接口芯片，通過它實現上位機與現場微處理器之間的數據通信。系統硬件電路設計原理圖如圖6所示。該電路的主要功能是通過CAN總線收發器PCA82C250接收來自上位機的數據進行分析組態然后下傳給下位機的控制電路實現控制功能，當CAN總線接口接收到下位機的上傳數據，SJA1000就產生一個中斷，引發微處理器產生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機進行分析。STC12C5A60S2是增強型的51內核單片機，承擔CAN控制器的初始化、CAN的收發控制等任務，是CAN總線接口電路的控制核心。

圖6中的 X5045中的看門狗對系統提供了保護功能。X5045是在單片機系統中廣泛應用的一種看門狗芯片，它把上電復位、看門狗定時器、電壓監控和E2PROM四種常用功能組合在單個芯片里。[7]當系統發生故障而超過設置時間時，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU 作出反應。向X5045加電時會激活其內部的上電復位電路，從而使RESET 引腳有效。

六、系統測試

溫度變化引起的輸出電壓變化量為：

式中，V(Tk) —Tk溫度時的輸出電壓；

V(Tk+1) —Tk+1溫度時的輸出電壓。

表1 列出了103AT型NTC線性化前后對照表。根據表1所列數據繪出的電阻值-溫度特性曲線如圖7(a)所示，從圖中可見單純使用NTC電阻具有明顯的非線性。線性化后的輸出電壓-溫度特性曲線如圖7(b)所示，從圖中可見其線性度有了明顯的改善。

七、結束語

本文討論了采用熱敏電阻作為感溫元件，設計并實現了一種符合CAN總線規范的熱敏電阻傳感節點。熱敏電阻的靈敏度高，但是其固有的非線性特性不利于工程處理，需要進行線性化。用一只固定電阻巧妙的實現了對NTC熱敏電阻的線性化，但是這種線性化是以犧牲靈敏度為代價的。為了減小線性化誤差，應盡量減小溫度量程范圍。測量電路集成CAN總線規范，傳感節點可直接掛接在CAN總線系統上，與其他CAN總線器件進行數據交互，從而可使傳感節點成為分布式控制系統的一部分。

表1 103AT型NTC線性化前后對照表