傳統二次儀表式稱(chēng)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、模數轉換后顯示輸出，具有傳輸距離短，組網(wǎng)能力有限，二次放大會(huì )引入誤差等缺點(diǎn)。這里將車(chē)載稱(chēng)重系統中的稱(chēng)重傳感器信號直接數字化，并引入CAN總線(xiàn)，利用現場(chǎng)總線(xiàn)容錯性強、通信速率高等特點(diǎn)，提高了車(chē)載稱(chēng)重系統的精度和數據通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。設計了 一個(gè)主控器節點(diǎn)和多個(gè)高精度稱(chēng)重傳感器節點(diǎn)，并將節點(diǎn)直接連接到CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，實(shí)現了基于CAN總線(xiàn)的車(chē)載高精度稱(chēng)重系統的設計.

0.引言

CAN總線(xiàn)技術(shù)源自20世紀80年代的德國，zui早是 BOSCH公司用來(lái)解決汽車(chē)內部復雜的硬件信號接線(xiàn)。目前，隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，現場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)被廣泛應用于計算機、測試系統以及網(wǎng)絡(luò )控制系統中，與一般RS 485,RS 232通信協(xié)議不同的是，CAN總線(xiàn)具有比較高的可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、數據完整性以及可 用性，并且CAN總線(xiàn)經(jīng)過(guò)了 ISO11898和ISO11519標準化認證。具有以下特點(diǎn)：采用多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間可以在任意時(shí)刻相互傳遞信息，無(wú)主從之分，通信方式極為靈活；可劃分優(yōu)先級，實(shí)時(shí)性好；傳輸距離遠，通信速率高；CAN編碼節點(diǎn)數量不受限制；采用非破壞性總線(xiàn)栽決技術(shù)，保證優(yōu)先級高的節點(diǎn)信息傳輸；檢錯效果好、出錯率低，節點(diǎn)出現嚴重錯誤時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉輸出功能。

目前，工業(yè)現場(chǎng)采用的稱(chēng)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?；驹硎羌?/span>勵并接收Wheatstone電橋產(chǎn)生的模擬電信號，隨后進(jìn)行二次放大、A/D轉換，zui后顯示數字量。但是存在比較大的問(wèn)題:模擬信號抗干擾能力差，要求傳輸信號的線(xiàn)路越短越好;二次儀表提供的信號輸人口的數量同定，限制了 Wheatstone電橋數量，出廠(chǎng)后不易改變。高精度稱(chēng)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S-A原理和斬波技術(shù)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(chēng)重傳感器采用CAN總線(xiàn)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。

本文針對高精度地磅稱(chēng)重傳感器網(wǎng)絡(luò )，引人CAN總線(xiàn)技術(shù)，并設計了網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。雖然該設計是結合實(shí)際控制和測試需要而進(jìn)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，因此該設計可以應用到其他場(chǎng)所，具有重要意義。

1.高精度地磅稱(chēng)重傳感器節點(diǎn)硬件設計

1.1 系統組成

高精度傳感器網(wǎng)絡(luò )系統主要由基于CAN總線(xiàn)的傳感器節點(diǎn)和監控主機組成。稱(chēng)重傳感器的節點(diǎn)檢測應變信號經(jīng)過(guò)信號調理模塊后，將數字信號通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸到監控主機，主機主要負責接收和處理數據?；?/span>于CAN總線(xiàn)的稱(chēng)重傳感器節點(diǎn)的總體結構如圖1所示。

1.2硬件設計

該傳感器網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)控制電路。稱(chēng)重傳感器節點(diǎn)的硬件電路圖如圖2所示。

1.2.1 信號調理電路

稱(chēng)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(huì )隨著(zhù)傳感器結構的變化而產(chǎn)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(chēng)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(mǎn)足測量精度會(huì )進(jìn)行放大、二次濾波，然后進(jìn)行A/D 轉換，zui后輸出給數據采集系統。這樣一來(lái)就導致數據的傳輸距離短，精度低，尤其是對動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測量系統就更加不利。

為了提高稱(chēng)重傳感器的穩定性和精度，并且更加適應于動(dòng)態(tài)測量。本系統將采用S-A型A/D轉換器和斬波技術(shù)，MAX1402是串行數據輸出，并且具有200 ^A的內置激勵電壓源，該功能模塊具有開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )、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(lái)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(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(shí)間較短，zui高分辨率可達15 KB/scan，并且能夠通過(guò)SPI進(jìn)行接口擴展，并通過(guò)SPI總線(xiàn)連接CAN 控制器MCP2510，同時(shí)在工作中還能夠對CAN協(xié)議模塊 進(jìn)行調度，完成M⑶與CAN總線(xiàn)之間的數據傳輸。

本系統采用的CAN驅動(dòng)器是PCA82C251，該驅動(dòng)器主要是作為物理總線(xiàn)和CAN控制器之間的接口，能夠為CAN總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力并為CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。本系統采用的驅動(dòng)器具有很好的總線(xiàn)傳輸速率，zui高傳輸速率可達1 Mb/s，并且能夠為總線(xiàn)提供瞬時(shí)保護能力，具有較強的抗干擾能力。

1.2.3 CAN總線(xiàn)控制電路

CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口模塊是實(shí)現傳感器節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫連接的關(guān)鍵位置，該系統采用網(wǎng)絡(luò )接口模塊擴展的 CAN控制模塊，直接將傳感器節點(diǎn)接人CAN總線(xiàn)網(wǎng) 絡(luò )。其中總線(xiàn)控制電路如圖5所示。CAN總線(xiàn)控制模塊MCP2510通過(guò)SPI總線(xiàn)與微處理器相連接，同時(shí)在 CAN控制器和總線(xiàn)驅動(dòng)模塊之間加人光電隔離電路，這樣一來(lái)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(lái)實(shí)現CAN通信協(xié)議，也就是說(shuō)微處理器不直接參與CAN通信協(xié)議的處理，從而為稱(chēng)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(wǎng)絡(luò )系統中，每個(gè)傳感器對應節點(diǎn)的軟件和硬件是一樣的，本系統設計的節點(diǎn)軟件主要由 CAN通信軟件、應用層協(xié)議軟件、數據管理中心（微處理器RAM中的分配表）組成。稱(chēng)重傳感器節點(diǎn)程序設計主要實(shí)現兩個(gè)目的：保證CAN總線(xiàn)zui大傳輸速率;保 證采樣數據的完整性。

該稱(chēng)重傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)適用于車(chē)載系統，為了使節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )系統上電后，需要對MCU和SJA1050 進(jìn)行復位，只有復位后才能進(jìn)行MCU自身和SJA1050 的初始化。隨后，對稱(chēng)重傳感器網(wǎng)絡(luò )中的控制器節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)設計不同的程序，控制器節點(diǎn)負責從CAN 總線(xiàn)上接收信號，稱(chēng)重傳感器節點(diǎn)則向CAN總線(xiàn)發(fā)送信號，從而實(shí)現整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的運行與測試。

3.結語(yǔ)

本文根據需要設計了基于CAN總線(xiàn)的高精度承重傳感器的節點(diǎn)通信系統，以C8051F550作為主控器，采用模擬數字電路實(shí)現了硬件系統的搭建，基于 C A N總線(xiàn)通信電路，設計了軟件系統，并進(jìn)行了多節點(diǎn)主從模式通信實(shí)驗，發(fā)現基于CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和現場(chǎng)控制技術(shù)的承重傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計硬件電路簡(jiǎn)單、穩定性高；在多節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中傳感器的增加不會(huì )影響系統體積，并簡(jiǎn)化了線(xiàn)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(shí)也增大了系統擴展的靈活性。因此，具有重要的應用價(jià)值。