基于CAN總線的高精度稱重傳感器節(jié)點設(shè)計

王曉華

摘 要： 傳統(tǒng)二次儀表式稱重傳感器是將Wheatstone電橋輸出的模擬信號送到二次儀表，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，二次放大會引入誤差等缺點。這里將車載稱重系統(tǒng)中的稱重傳感器信號直接數(shù)字化，并引入CAN總線，利用現(xiàn)場總線容錯性強、通信速率高等特點，提高了車載稱重系統(tǒng)的精度和數(shù)據(jù)通信的可靠性和實時性。設(shè)計了一個主控器節(jié)點和多個高精度稱重傳感器節(jié)點，并將節(jié)點直接連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)了基于CAN總線的車載高精度稱重系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞： 稱重傳感器； CAN總線； 信號數(shù)字化； 節(jié)點設(shè)計

中圖分類號： TN92?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 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總線技術(shù)源自20世紀80年代的德國，最早是BOSCH公司用來解決汽車內(nèi)部復(fù)雜的硬件信號接線[1?2]。目前，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，現(xiàn)場總線已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于計算機、測試系統(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總線具有比較高的可靠性、實時性、靈活性、數(shù)據(jù)完整性以及可用性[3?5]，并且CAN總線經(jīng)過了ISO11898和ISO11519標(biāo)準(zhǔn)化認證[6?7]。具有以下特點：采用多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間可以在任意時刻相互傳遞信息，無主從之分，通信方式極為靈活；可劃分優(yōu)先級，實時性好；傳輸距離遠，通信速率高；CAN編碼節(jié)點數(shù)量不受限制；采用非破壞性總線裁決技術(shù)，保證優(yōu)先級高的節(jié)點信息傳輸；檢錯效果好、出錯率低，節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時，自動關(guān)閉輸出功能[8?9]。

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

本文針對高精度稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)，引入CAN總線技術(shù)，并設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。雖然該設(shè)計是結(jié)合實際控制和測試需要而進行的，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)計可以應(yīng)用到其他場所，具有重要意義。

1 高精度稱重傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

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總線的傳感器節(jié)點和監(jiān)控主機組成。稱重傳感器的節(jié)點檢測應(yīng)變信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊后，將數(shù)字信號通過CAN總線傳輸?shù)奖O(jiān)控主機，主機主要負責(zé)接收和處理數(shù)據(jù)。基于CAN總線的稱重傳感器節(jié)點的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計

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

1.2.1 信號調(diào)理電路

稱重傳感器一般是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對象的應(yīng)變變化。傳統(tǒng)二次儀表式稱重傳感器信號調(diào)理電路如圖3所示，由于應(yīng)變電橋輸出電信號比較微弱，為滿足測量精度會進行放大、二次濾波，然后進行A/D轉(zhuǎn)換，最后輸出給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這樣一來就導(dǎo)致數(shù)據(jù)的傳輸距離短，精度低，尤其是對動態(tài)稱重測量系統(tǒng)就更加不利。

為了提高稱重傳感器的穩(wěn)定性和精度，并且更加適應(yīng)于動態(tài)測量。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)置激勵電壓源，該功能模塊具有開關(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)電壓源來穩(wěn)定輸出電壓信號，精度可達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，該單片機具有32 KB的FLASH程序存儲器，2 KB的RAM和2 KB的ROM，另外，還具有8路12位的ADC，轉(zhuǎn)換時間較短，最高分辨率可達15 KB/scan，并且能夠通過SPI進行接口擴展，并通過SPI總線連接CAN控制器MCP2510，同時在工作中還能夠?qū)AN協(xié)議模塊進行調(diào)度，完成MCU與CAN總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)采用的CAN驅(qū)動器是PCA82C251，該驅(qū)動器主要是作為物理總線和CAN控制器之間的接口，能夠為CAN總線提供差動發(fā)送能力并為CAN控制器提供差動接收能力。本系統(tǒng)采用的驅(qū)動器具有很好的總線傳輸速率，最高傳輸速率可達1 Mb/s，并且能夠為總線提供瞬時保護能力，具有較強的抗干擾能力。

1.2.3 CAN總線控制電路

CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口模塊是實現(xiàn)傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)無縫連接的關(guān)鍵位置，該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)接口模塊擴展的CAN控制模塊，直接將傳感器節(jié)點接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)。其中總線控制電路如圖5所示。CAN總線控制模塊MCP2510通過SPI總線與微處理器相連接，同時在CAN控制器和總線驅(qū)動模塊之間加入光電隔離電路，這樣一來就大大增強了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。其中CAN控制器硬件電路用來實現(xiàn)CAN通信協(xié)議，也就是說微處理器不直接參與CAN通信協(xié)議的處理，從而為稱重傳感器的數(shù)據(jù)處理提供更多的系統(tǒng)資源。

2 軟件設(shè)計

在CAN通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個傳感器對應(yīng)節(jié)點的軟件和硬件是一樣的，本系統(tǒng)設(shè)計的節(jié)點軟件主要由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。稱重傳感器節(jié)點程序設(shè)計主要實現(xiàn)兩個目的：保證CAN總線最大傳輸速率；保證采樣數(shù)據(jù)的完整性。

該稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點適用于車載系統(tǒng)，為了使節(jié)點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MCU和SJA1050進行復(fù)位，只有復(fù)位后才能進行MCU自身和SJA1050的初始化。隨后，對稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)中的控制器節(jié)點和傳感器節(jié)點設(shè)計不同的程序，控制器節(jié)點負責(zé)從CAN總線上接收信號，稱重傳感器節(jié)點則向CAN總線發(fā)送信號，從而實現(xiàn)整個傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行與測試。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)需要設(shè)計了基于CAN總線的高精度承重傳感器的節(jié)點通信系統(tǒng)，以C8051F550作為主控器，采用模擬數(shù)字電路實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的搭建，基于CAN總線通信電路，設(shè)計了軟件系統(tǒng)，并進行了多節(jié)點主從模式通信實驗，發(fā)現(xiàn)基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場控制技術(shù)的承重傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計硬件電路簡單、穩(wěn)定性高；在多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中傳感器的增加不會影響系統(tǒng)體積，并簡化了線路布局。采用具有強大數(shù)據(jù)處理能力的A/D轉(zhuǎn)換器大大降低了系統(tǒng)主機的負擔(dān)，同時也增大了系統(tǒng)擴展的靈活性。因此，具有重要的應(yīng)用價值。

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