基于CAN總線的高精度稱重傳感器節點設計

王曉華

摘 要： 傳統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，經放大、模數轉換后顯示輸出，具有傳輸距離短，組網能力有限，二次放大會引入誤差等缺點。這里將車載稱重系統中的稱重傳感器信號直接數字化，并引入CAN總線，利用現場總線容錯性強、通信速率高等特點，提高了車載稱重系統的精度和數據通信的可靠性和實時性。設計了一個主控器節點和多個高精度稱重傳感器節點，并將節點直接連接到CAN總線網絡中，實現了基于CAN總線的車載高精度稱重系統的設計。

關鍵詞： 稱重傳感器； CAN總線； 信號數字化； 節點設計

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： 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總線技術源自20世紀80年代的德國，最早是BOSCH公司用來解決汽車內部復雜的硬件信號接線[1?2]。目前，隨著技術的不斷發展和成熟，現場總線已經被廣泛應用于計算機、測試系統以及網絡控制系統中，與一般RS 485，RS 232通信協議不同的是，CAN總線具有比較高的可靠性、實時性、靈活性、數據完整性以及可用性[3?5]，并且CAN總線經過了ISO11898和ISO11519標準化認證[6?7]。具有以下特點：采用多主方式工作，網絡節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；可劃分優先級，實時性好；傳輸距離遠，通信速率高；CAN編碼節點數量不受限制；采用非破壞性總線裁決技術，保證優先級高的節點信息傳輸；檢錯效果好、出錯率低，節點出現嚴重錯誤時，自動關閉輸出功能[8?9]。

目前，工業現場采用的稱重傳感器主要是二次儀表式，也就是采用數顯儀表作為顯示器[10]。基本原理是激勵并接收Wheatstone電橋產生的模擬電信號，隨后進行二次放大、A/D轉換，最后顯示數字量。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量固定，限制了Wheatstone電橋數量，出廠后不易改變[11?12]。高精度稱重傳感器在模擬信號轉化成數字信號后，舍去二次放大信號，采用Σ?Δ原理和斬波技術增強了抗干擾能力，A/D轉換電路更加適用于高精度儀表系統。此外，高精度稱重傳感器采用CAN總線通信，使系統容量增大、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絡，引入CAN總線技術，并設計了網絡節點。雖然該設計是結合實際控制和測試需要而進行的，但是由于CAN通信協議和硬件電路具有較高的可移植性，因此該設計可以應用到其他場所，具有重要意義。

1 高精度稱重傳感器節點硬件設計

1.1 系統組成

高精度傳感器網絡系統主要由基于CAN總線的傳感器節點和監控主機組成。稱重傳感器的節點檢測應變信號經過信號調理模塊后，將數字信號通過CAN總線傳輸到監控主機，主機主要負責接收和處理數據。基于CAN總線的稱重傳感器節點的總體結構如圖1所示。

1.2 硬件設計

該傳感器網絡系統主要由三部分組成：信號調理模塊、微處理器單元、CAN總線控制電路。稱重傳感器節點的硬件電路圖如圖2所示。

1.2.1 信號調理電路

稱重傳感器一般是Wheatsone電橋結構，受到重力或壓力作用，應變片會隨著傳感器結構的變化而產生相應的電阻效應，其中應變片電阻值的變化反映了被測對象的應變變化。傳統二次儀表式稱重傳感器信號調理電路如圖3所示，由于應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轉換，最后輸出給數據采集系統。這樣一來就導致數據的傳輸距離短，精度低，尤其是對動態稱重測量系統就更加不利。

為了提高稱重傳感器的穩定性和精度，并且更加適應于動態測量。本系統將采用Σ?Δ型A/D轉換器和斬波技術，MAX1402是串行數據輸出，并且具有200 μA的內置激勵電壓源，該功能模塊具有開關網絡、調制器、PGA、緩沖器、振蕩器及集成于模塊內部的數字濾波器和雙向串行通信接口。采用REF43基準電壓源來穩定輸出電壓信號，精度可達0.1%，新的調理電路如圖4所示。

1.2.2 微處理單元

微處理器模塊（MCU）是該傳感器網絡節點的核心，主要用于完成數據的采集、處理和數據輸出及調度等。本系統采用的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對CAN協議模塊進行調度，完成MCU與CAN總線之間的數據傳輸。

本系統采用的CAN驅動器是PCA82C251，該驅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總線提供差動發送能力并為CAN控制器提供差動接收能力。本系統采用的驅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總線網絡接口模塊是實現傳感器節點和網絡無縫連接的關鍵位置，該系統采用網絡接口模塊擴展的CAN控制模塊，直接將傳感器節點接入CAN總線網絡。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控制器和總線驅動模塊之間加入光電隔離電路，這樣一來就大大增強了網絡的抗干擾能力。其中CAN控制器硬件電路用來實現CAN通信協議，也就是說微處理器不直接參與CAN通信協議的處理，從而為稱重傳感器的數據處理提供更多的系統資源。

2 軟件設計

在CAN通信網絡系統中，每個傳感器對應節點的軟件和硬件是一樣的，本系統設計的節點軟件主要由CAN通信軟件、應用層協議軟件、數據管理中心（微處理器RAM中的分配表）組成。稱重傳感器節點程序設計主要實現兩個目的：保證CAN總線最大傳輸速率；保證采樣數據的完整性。

該稱重傳感器網絡節點適用于車載系統，為了使節點的功能更加直接明了，軟件流程也應清晰，本系統的軟件流程如圖6所示。

當傳感器網絡系統上電后，需要對MCU和SJA1050進行復位，只有復位后才能進行MCU自身和SJA1050的初始化。隨后，對稱重傳感器網絡中的控制器節點和傳感器節點設計不同的程序，控制器節點負責從CAN總線上接收信號，稱重傳感器節點則向CAN總線發送信號，從而實現整個傳感器網絡系統的運行與測試。

3 結 語

本文根據需要設計了基于CAN總線的高精度承重傳感器的節點通信系統，以C8051F550作為主控器，采用模擬數字電路實現了硬件系統的搭建，基于CAN總線通信電路，設計了軟件系統，并進行了多節點主從模式通信實驗，發現基于CAN總線網絡技術和現場控制技術的承重傳感器網絡節點的設計硬件電路簡單、穩定性高；在多節點網絡中傳感器的增加不會影響系統體積，并簡化了線路布局。采用具有強大數據處理能力的A/D轉換器大大降低了系統主機的負擔，同時也增大了系統擴展的靈活性。因此，具有重要的應用價值。

參考文獻

[1] 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.

[2] 劉松，朱志芹，王渝.CAN總線智能測控節點的設計與實現[J].現代電子技術，2003，26（2）：52?54.

[3] ZUBERI K M， KANG G S. Design and implementation of efficient message scheduling for controller area network [J]. IEEE transactions on computers， 2000， 49（2）： 182?188.

[4] 王云午，魏宗壽.基于CAN 總線的通信節點設計[J].現代電子技術，2008，31（3）：72?74.

[5] 范鎧.現場總線技術在國內的應用情況[J].自動化博覽，2001（9）：18?20.

[6] 楊旗，陸云龍.基于CAN總線的傳感器網絡節點設計[J].儀表技術與傳感器，2011（9）：95?96.

[7] 范占峰.稱重傳感器檢測系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2013.

[8] 馮慶華，諶海云，路通達，等.基于CAN總線的倉庫溫濕度監控系統的設計[J].現代電子技術，2008，31（7）：144?147.

[9] 何菊，陸明洲，王珍，等.中藥材溯源系統中的高精度稱重傳感器節點設計[J].傳感器與微系統，2015，34（3）：123?125.

[10] 潘佚.基于C8051F040的CAN總線智能節點的設計[J].現代電子技術，2006，29（4）：49?51.

[11] 劉元財.高精度數字式智能稱重傳感器[D].濟南：山東大學，2010.

[12] 郝壽朋，劉瑞玲.基于CAN 總線的數據采集與控制系統設計[J].現代電子技術，2011，34（8）：36?38.

[13] 牛偉.基于CAN總線的車載稱重系統的研究[D].北京：北方工業大學，2008.

[14] 張玘，曹宏胤，馮旭哲.基于CAN總線的車輛儀表傳感器數字化節點的設計[J].電子質量，2006（4）：6?7.

[15] 李曙英.基于CAN總線的應變監測傳感器網絡節點設計[J].江蘇技術師范學院學報，2011，17（4）：33?37.

[16] 李紅艷.基于總線的荷重測量以及通訊的實現[D].石家莊：河北科技大學，2011.