基于CAN總線的高精度數(shù)字壓力變送器的設(shè)計(jì)

0引言

壓力傳感器是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最為常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶機(jī)床、管道等各種工業(yè)控制環(huán)境?！Ｒ?jiàn)的壓力傳感器包括應(yīng)變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器、壓電壓力傳感器、藍(lán)寶石壓力傳感器等。目前，市場(chǎng)上大多數(shù)的壓力變送器以模擬量輸出為主，還有少部分是基于H art協(xié)議的智能壓力變送器。而在當(dāng)今測(cè)控領(lǐng)域中，兒乎全部采用數(shù)字化處理，用戶(hù)需要先將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量[‘{。因此，在測(cè)量壓力時(shí)，最少需要經(jīng)過(guò)1次A/ D轉(zhuǎn)換，甚至2次A/ D轉(zhuǎn)換加1次D/ A轉(zhuǎn)換，而A_模擬信號(hào)的傳輸過(guò)程中也會(huì)引入干擾和損失，即使精度再高的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換都會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。而數(shù)字化的壓力變送器可以省去模擬信號(hào)的傳輸和不必要的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換。因此，本文將介紹一種數(shù)字壓力變送器的設(shè)計(jì)，該壓力變送器基于CA N總線[2{傳輸，測(cè)量精度較高。

1壓力變送器硬件設(shè)計(jì)

基于CAN總線的高精度數(shù)字壓力變送器的原理框圖如圖1所示。該壓力變送器主要包括壓力信號(hào)測(cè)量與調(diào)理部分、數(shù)字處理部分、CAN總線傳輸部分。

型不銹鋼壓力芯體，它是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造而成的硅壓阻式壓力傳感器。傳感器芯片[3{貼裝于TO型基座上，并在膜片和傳感芯片之問(wèn)充有少量的硅油，硅油在膜片與壓阻式傳感器之問(wèn)傳遞壓力，最大輸出信號(hào)為100 mV，內(nèi)部輸入阻抗典型為3 500 }。

壓力傳感器的等效電路如圖2所示。從圖2可看出，壓力傳感器內(nèi)部可以看成是一個(gè)惠斯通電橋，激勵(lì)電源可以選擇恒壓源或恒流源，采用恒流源可以有效克服激勵(lì)電源波動(dòng)等干擾造成的測(cè)量誤差。
當(dāng)激勵(lì)電流為1 mA時(shí)，壓力傳感器滿(mǎn)量程輸出為100 mV，因此，壓力傳感器的信號(hào)還需要放大處理。

ADuC836是美國(guó)AD公司新推出的高性能單片機(jī)，它將8051內(nèi)核、2路16位藝一OA/ D ,12位D/ A ,FLASH ,WDT ,IMP監(jiān)控電路、內(nèi)部基準(zhǔn)電源,SPI和IZ C總線接口等資源集成在一起，構(gòu)成一個(gè)可編程的、能夠進(jìn)行自校準(zhǔn)的高精度模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，非常適用于各類(lèi)智能儀表、智能傳感器、變送器和便攜式儀器等領(lǐng)域。另外，它還采用閃速/電擦除存儲(chǔ)器，并目_自帶加載器和調(diào)試軟件，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試更為簡(jiǎn)便。

ADuC836有62 I} B的FLASH/EE程序存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)用戶(hù)代碼，4 I} B的FLASH/EE數(shù)據(jù)存
儲(chǔ)器，2 304 B的RA M，因此，不需進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。用戶(hù)代碼可以經(jīng)過(guò)UART串行口下載到存儲(chǔ)
器，不需要額外的硬件支持。

綜上所述，通過(guò)1片A Duc836就可以完成壓力信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，壓力數(shù)據(jù)數(shù)字化標(biāo)定、校準(zhǔn)功能及總線輸出。

1.3 CAN總線傳輸部分

本系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RS485總線。CA N總線的連結(jié)節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)110個(gè)，與
RS485總線最大不同是它具有總線仲裁功能，總線上的任意節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)主動(dòng)發(fā)送信息目_能夠有效避免多下位機(jī)同時(shí)上傳時(shí)數(shù)據(jù)造成的沖突。一般CAN總線使用較短的幀結(jié)構(gòu)，每幀傳輸占總線時(shí)問(wèn)較短，最大傳輸速度可達(dá)1 M bit/ s。另外，當(dāng)CAN總線上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，能夠自動(dòng)關(guān)閉輸出，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及通信不受影響，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

CAN總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信距離可達(dá)10 km,
性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于RS485總線。它通常由CAN總線控制器和CAN總線驅(qū)動(dòng)器2個(gè)部分構(gòu)成。

本文設(shè)計(jì)的壓力變送器的CAN總線核心器件采用了CSM 1004{芯片。它內(nèi)部集成完全電氣隔離
的CAN- bus接口電路，采用全灌封工藝，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使
用的可靠性，其主要功能是實(shí)現(xiàn)了UART一CAN之問(wèn)的透明轉(zhuǎn)換，用戶(hù)不必深入了解CAN- bu、的
相關(guān)知識(shí)，利用該芯片操作CAN- bus就如同操作UART一樣方便。圖4為CSM 100的功能框圖。

從圖4可看出，CSM 100只需串口就可與CPU通信，ADuC836只要正常操作串口就可以完成
CAN總線誦信功能.大大提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)諫度

2壓力變送器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于ADuC836指令與8051兼容，故可以利用8051單片機(jī)的軟件資源開(kāi)發(fā)該壓力變送器的軟件程序;充分利用ADuC836提供的內(nèi)部校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，定時(shí)進(jìn)行內(nèi)部零位和滿(mǎn)量程校準(zhǔn)，解決了除傳感器之外的漂移誤差。

該壓力變送器還具有非常方便的在線標(biāo)定校準(zhǔn)功能，如圖5所示，同時(shí)將多只壓力變送器連接
同一個(gè)壓力源，通過(guò)CAN總線與PC機(jī)相連，通過(guò)上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)多只變送器同時(shí)標(biāo)定校準(zhǔn)。

上位機(jī)同時(shí)記錄標(biāo)準(zhǔn)壓力值和被校表對(duì)應(yīng)的電壓值，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后，再通過(guò)CA N總線將標(biāo)定分
別下載到壓力變送器單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，完成標(biāo)定工作。

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線傳輸?shù)臄?shù)字壓力變送器具有精度高、體積小集成度高、可靠性高、智能化、成本低等特點(diǎn)并具有在線標(biāo)定校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，可用于不同的工業(yè)場(chǎng)合。