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(hào)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(huì)引入誤差等缺點(diǎn)。這里將車載稱重系統(tǒng)中的稱重傳感器信號(hào)直接數(shù)字化，并引入CAN總線，利用現(xiàn)場(chǎng)總線容錯(cuò)性強(qiáng)、通信速率高等特點(diǎn)，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(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)了 一個(gè)主控器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)高精度稱重傳感器節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)直接連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的車載高精度稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

0.引言

CAN總線技術(shù)源自20世紀(jì)80年代的德國(guó)，zui早是 BOSCH公司用來解決汽車內(nèi)部復(fù)雜的硬件信號(hào)接線。目前，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、測(cè)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(shí)時(shí)性、靈活性、數(shù)據(jù)完整性以及可 用性，并且CAN總線經(jīng)過了 ISO11898和ISO11519標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證。具有以下特點(diǎn)：采用多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間可以在任意時(shí)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(jí)，實(shí)時(shí)性好；傳輸距離遠(yuǎn)，通信速率高；CAN編碼節(jié)點(diǎn)數(shù)量不受限制；采用非破壞性總線栽決技術(shù)，保證優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)信息傳輸；檢錯(cuò)效果好、出錯(cuò)率低，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉輸出功能。

目前，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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。基本原理是激勵(lì)并接收Wheatstone電橋產(chǎn)生的模擬電信號(hào)，隨后進(jìn)行二次放大、A/D轉(zhuǎn)換，zui后顯示數(shù)字量。但是存在比較大的問題:模擬信號(hào)抗干擾能力差，要求傳輸信號(hào)的線路越短越好;二次儀表提供的信號(hào)輸人口的數(shù)量同定，限制了 Wheatstone電橋數(shù)量，出廠后不易改變。高精度稱重傳感器在模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后，舍去二次放大信 號(hào)，采用S-A原理和斬波技術(shù)增強(qiáng)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(hào)傳輸距離增加、抗干擾能力增強(qiáng)，并能保證高精度。

本文針對(duì)高精度地磅稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)，引人CAN總線技術(shù)，并設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。雖然該設(shè)計(jì)是結(jié)合實(shí)際控制和測(cè)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(shè)計(jì)可以應(yīng)用到其他場(chǎng)所，具有重要意義。

1.高精度地磅稱重傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

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(diǎn)和監(jiān)控主機(jī)組成。稱重傳感器的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊后，將數(shù)字信號(hào)通過CAN總線傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)，主機(jī)主要負(fù)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(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2硬件設(shè)計(jì)

該傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由三部分組成:信號(hào)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(diǎn)的硬件電路圖如圖2所示。

1.2.1 信號(hào)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(huì)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(cè)對(duì)象的應(yīng)變變化。傳統(tǒng)二次儀表式稱重傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示，由于應(yīng)變電橋輸出電信號(hào)比較微弱，為滿足測(cè)量精度會(huì)進(jìn)行放大、二次濾波，然后進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，zui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(duì)動(dòng)態(tài)稱重測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)量。本系統(tǒng)將采用S-A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 ^A的內(nèi)置激勵(lì)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(hào)，精度可達(dá)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(diǎn)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(jī)具有32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)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(shí)間較短，zui高分辨率可達(dá)15 KB/scan，并且能夠通過SPI進(jìn)行接口擴(kuò)展，并通過SPI總線連接CAN 控制器MCP2510，同時(shí)在工作中還能夠?qū)?/span>CAN協(xié)議模塊 進(jìn)行調(diào)度，完成M⑶與CAN總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)采用的CAN驅(qū)動(dòng)器是PCA82C251，該驅(qū)動(dòng)器主要是作為物理總線和CAN控制器之間的接口，能夠?yàn)?/span>CAN總線提供差動(dòng)發(fā)送能力并為CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。本系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)器具有很好的總線傳輸速率，zui高傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，并且能夠?yàn)榭偩€提供瞬時(shí)保護(hù)能力，具有較強(qiáng)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(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)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(kuò)展的 CAN控制模塊，直接將傳感器節(jié)點(diǎn)接人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(shí)在 CAN控制器和總線驅(qū)動(dòng)模塊之間加人光電隔離電路，這樣一來就大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。其中CAN 控制器硬件電路用來實(shí)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(jì)

在CAN通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的軟件和硬件是一樣的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：保證CAN總線zui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(diǎn)適用于車載系統(tǒng)，為了使節(jié)點(diǎn)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(duì)MCU和SJA1050 進(jìn)行復(fù)位，只有復(fù)位后才能進(jìn)行MCU自身和SJA1050 的初始化。隨后，對(duì)稱重傳感器網(wǎng)絡(luò)中的控制器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的程序，控制器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從CAN 總線上接收信號(hào)，稱重傳感器節(jié)點(diǎn)則向CAN總線發(fā)送信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行與測(cè)試。

3.結(jié)語

本文根據(jù)需要設(shè)計(jì)了基于CAN總線的高精度承重傳感器的節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)，以C8051F550作為主控器，采用模擬數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的搭建，基于 C A N總線通信電路，設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了多節(jié)點(diǎn)主從模式通信實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)的承重傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)硬件電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高；在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中傳感器的增加不會(huì)影響系統(tǒng)體積，并簡(jiǎn)化了線路布局。采用具有強(qiáng)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(jī)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也增大了系統(tǒng)擴(kuò)展的靈活性。因此，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。