基于MC9S08DZ60的CAN總線振動傳感器設計

　　1 引言

　　隨著人們安全意識的不斷提高設備的安全監(jiān)測顯得越發(fā)重要。各種在線監(jiān)測設備層出不窮，但大多都受到傳統(tǒng)總線速率較低，傳輸精度不高的限制。CAN總線以其在汽車行業(yè)內實時、可靠、靈活的應用而備受矚目，進而不斷有其他領域的CAN總線應用產(chǎn)品出現(xiàn)，基于CAN 總線的振動傳感器正是其中一種，組網(wǎng)后的傳感器能夠很好地實現(xiàn)大型裝置的在線監(jiān)測，為企業(yè)的安全生產(chǎn)奠定了基礎。

　　2 器件簡介

　　2.1 MC9S08DZ60單片機

　　飛思卡爾公司的MC9S08DZ系列單機片內嵌 CAN的微控制器，并將內嵌的CAN、EPROM和片上仿真/調試模塊組合在一起，集成了所有的功能，設計人員可以便捷地轉向其設計流程。 MC9S08DZ60型單機片可提供60 KB的片上flash、4 KB的片上RAM、2 KB的E2PROM。它具有串行通信接口(SCI)、串行外設接口(SPI)、看門狗定時器(COP Watch-dog)、多達24通道的12 bit的A/D轉換模塊，另外還有I2C總線模塊和多個定時器、計數(shù)器等。其獨特的片上仿真/調試模塊(BDG)更是大大簡化設計，從而確保了 MC9S08DZ60在汽車和工控的應用地位。

　　2.2 AD536A有效值轉換器

　　AD536A是一款有效值轉換器。它可以連續(xù)、實時地計算輸入信號的平方、平均值。且得到的直流電壓值正比于輸入信號的有效值RMS。AD536A具有相當大的響應帶寬，在輸入有效值大于100 mV時.帶寬為450 kHz，而輸入大于1 V時，帶寬增大到2 MHz。1.2 mA的靜態(tài)工作電流和寬泛的工作溫度使其應用廣泛。

　　AD536A計算RMS時，首先求得絕對值(整流電路);然后進行平方計算：最后是平均計算，即除以反饋的輸出電壓;再經(jīng)濾波得出結果。這里要求平均的時間常數(shù)要遠大于待測信號的周期，這樣才能保證測試精度。

　　2.3 TJA1040 CAN收發(fā)器

　　TJA1040是一款高速CAN收發(fā)器，與PCA82C250/251引腳相兼容，TJA1040還提供不上電環(huán)境下理想的無源特性。TJA1040和 PCA82C250/251相比較，具有以下幾點優(yōu)勢：(1)如果不上電，總線上完全無源;如果VCC關閉，總線上看不到。(2)在待機模式時電流消耗極低，最大電流僅為15μA。(3)改良的電磁輻射EME性能。(4)改良的電磁抗干擾EMI性能。(5)SPLIT引腳代替Vref。引腳對總線的DC穩(wěn)壓很有效。

　　TJA1040向下兼容PCA82C250/251，并且可在已有PCA82C250/251的應用中使用，而硬件和軟件無需任何修改。

　　3 系統(tǒng)硬件結構

　　整個傳感器包括采集、濾波放大、A/D轉換、數(shù)據(jù)處理上傳等模塊，如圖1所示。采集模塊使用環(huán)形剪切的傳感器，將裝置的振動量轉變?yōu)轫憫奈⑿‰妷汉笏腿藶V波放大電路。信號經(jīng)放大濾波電路分成：高頻加速度、低頻加速度、速度、位移4個測量參數(shù)再傳輸?shù)接行е缔D換。這些信號經(jīng)有效值轉換和單片機A/D轉換模塊后存入單片機，再經(jīng)由CAN總線網(wǎng)絡上傳至主控機備份。

　　3.1 濾波放大模塊

　　圖2為濾波放大模塊組成框圖，南于壓電陶瓷轉變后的電信號含有噪聲，前端的電壓跟隨主要是去噪放大。系統(tǒng)將對1O Hz～1 kHz內的信號進行分析，其中包括10 Hz兩級高通加速度、10 Hz～1 kHz低頻加速度，10 Hz～1 kHz低頻速度、10 Hz～1 kHz低頻位移。它們經(jīng)單片機控制的多路開關傳輸至有效值轉換器。這里積分器并沒有采用典型積分方式，而是采用一種近似的方法，如圖3所示。這種方式能夠有效減少噪聲，保證純凈信號。

　　4 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件設計主要包括數(shù)據(jù)采集存儲和CAN通信兩大模塊。上電初始化后，單片機開始采集A/D轉換信號，按照高頻加速度、低頻加速度、速度、位移的次序采集信號，并存儲到片上存儲單元。而與主機的CAN通信將以中斷形式完成。圖5為系統(tǒng)整體流程。

　　4.1 采集存儲程序設計

　　由有效值轉換器輸出的數(shù)據(jù)將接人片上A/D轉換模塊，MC9S08DZ60單片機提供 24路12 bit的A/D轉換模塊。上電后對該模塊初始化操作，典型的初始化方式：(1)更新配置寄存器ADDCFG用以選擇A/D轉換器的時鐘源和設定內部時鐘頻率ADCK。該寄存器還可設置采樣時間等參數(shù)。(2)更新狀態(tài)控制寄存器ADCSC2，該寄存器可設定轉換的觸發(fā)方式，如果作為比較器使用時還可設定比較方式。(3)更新狀態(tài)控制寄存器ADCSC1，該寄存器可用來設定轉換方式，即持續(xù)轉換和單次轉換。該寄存器還可設定轉換通道以及轉換完成后是否觸發(fā)中斷。轉換后的數(shù)據(jù)存入結果寄存器ADCRL和ADCRH供系統(tǒng)調用。

　　系統(tǒng)上電初始化后，系統(tǒng)主程序按照高頻加速度、低頻加速度、速度、位移的順序依次設定模擬開關，為防止因剛剛選定通道后信號不穩(wěn)定而造成測量失真，因此需加入一段延時程序。延時過后，片上A/D轉換器模塊采集原始和10倍信號，與門限對比后，存入存儲單元。為保證數(shù)據(jù)的有效性，采用采集多組數(shù)據(jù)后平均方式。在存儲之前，處理后的數(shù)據(jù)會與單片機內部警告門限(可設定)相比對，如果超出預警門限，則再次測量此信號，若連續(xù)3次超出門限，將觸發(fā)預警中斷，向上位機發(fā)出預警。

　　4.2 CAN通信模塊

　　4.2.1 CAN模塊簡介

　　MC9S08DZ60內部集成了應用CAN 2.0A/B協(xié)議的CAN控制器，包含5個先進先出的接收寄存器，3個使用本地優(yōu)先級的發(fā)送寄存器。在ID識別方面提供了64 bit的掩碼寄存器，可分用為2個32 bit的滿值寄存器，或4個16 bit、8個8 bit的寄存器，這使總線上的消息尋址更加靈活方便。為滿足低功耗需求，該模塊提供睡眠、掉電和MSCAN使能3種模式。

　　CAN總線中的數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場、幀結尾。其中數(shù)據(jù)場的長度可以為0，但模塊封裝的幀最多不超過8個字節(jié)。根據(jù)仲裁位的不同可分為標準幀(11 bit標識符)和擴展幀(29bit標識符)。擴展幀格式包括4個ID寄存器IRD0～IRD3，8個數(shù)據(jù)寄存器DSR0和1個數(shù)據(jù)長度寄存器DLR，其中IRD0首位是ID28，IRD3末位是ID0。兩者之間還存有信號標識位SRR、IDE和RTR。

　　4.2.2 CAN通信協(xié)議

　　CAN總線的通信采用主叫輪詢方式。由于CAN的限制，每個網(wǎng)絡內子節(jié)點不宜超過1 000個，這里取10 bit作為源和目的設備的ID標識。因為ID28只能為1，這里規(guī)定ID27～ID18為幀源ID，而ID17～ID8為幀目的ID。因為通信需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多于8個字節(jié)，這里把DSR0作為傳輸多幀數(shù)據(jù)的總幀數(shù)寄存器，把DSR1作為傳輸多幀數(shù)據(jù)的當前幀數(shù)寄存器，DSR2作為幀功能寄存器， DSR3～DSR6傳輸數(shù)據(jù)，DSR7為校驗寄存器。

　　4.2.3 通信流程

　　整個網(wǎng)絡系統(tǒng)都是由上位機輪詢通信的，主機先發(fā)送一個請求幀請求建立連接，待收到被叫節(jié)點響應幀后，連接建立并由主機請求數(shù)據(jù)，節(jié)點逐幀發(fā)送，待主機正確接收后再次請求發(fā)送，否則將發(fā)送出錯幀請求重新發(fā)送當前幀，當全部數(shù)據(jù)正確傳輸后，主機發(fā)送斷開連接幀完成通信。這里上位機通過發(fā)送一個修正因子給節(jié)點，修正上傳數(shù)據(jù)的范圍。

　　5 結束語

　　經(jīng)實踐證明，該設備網(wǎng)絡在實驗室條件下能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡通信，并達到預期目標。這種應用了安全可靠的CAN總線技術的檢測網(wǎng)絡，不僅能夠有效降低人員現(xiàn)場巡查的難度，其最高1 Mb/s的傳輸速度可在第一時間發(fā)現(xiàn)隱患，排除故障。基于這些優(yōu)勢，CAN總線使人們振動傳感器檢測設備必然在自動化領域有著廣泛的應用前景。