智能傳感器的CAN總線接口設(shè)計(jì)

　　引言

　　測(cè)控系統(tǒng)離不開(kāi)傳感器。由于各種傳感器的工作原理不同，其較終輸出的電量形式各不相同。即使同一類傳感器，其靈敏度、測(cè)量范圍不同，相同電信號(hào)代表的物理量也不盡相同。因此，傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)，必須對(duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)傳感器進(jìn)行配置，傳感器類型、靈敏度、測(cè)量范圍等的細(xì)微改變都將導(dǎo)致系統(tǒng)(主要是軟件和部分硬件)的重新設(shè)置。若要增／減傳感器，以改變測(cè)控系統(tǒng)的規(guī)模，則需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)(軟件、硬件及布線)。進(jìn)行重新配置。這無(wú)疑極大地限制了測(cè)控系統(tǒng)的靈活性，制約了測(cè)控系統(tǒng)的擴(kuò)展性。CAN的通信硬件接口簡(jiǎn)單，通信線少，通信介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜或者光纜。將測(cè)控系統(tǒng)配置為CAN總線結(jié)構(gòu)，將目前廣泛應(yīng)用的各種模擬傳感器，配以CAN總線接口，使之成為CAN總線上的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，即易于實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用，也提高了測(cè)控系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

　　1 傳感器／CAN智能接口系統(tǒng)構(gòu)成

　　傳感器／CAN智能接口的作用主要有兩點(diǎn)：一是控制傳感器的信號(hào)調(diào)理，將傳感器的輸出模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，形成可發(fā)送的CAN報(bào)文信息；二是控制CAN驅(qū)動(dòng)器，收／發(fā) CAN總線上的報(bào)文信息，并執(zhí)行相應(yīng)的智能控制。智能接口系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

　　針對(duì)大多數(shù)模擬傳感器輸出信號(hào)較弱的特點(diǎn)，接口首先對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大和濾波的預(yù)處理，預(yù)處理后的傳感器信號(hào)幅度在200 mV左右，單端輸出。此后對(duì)該信號(hào)的處理完全由基于SOC技術(shù)的混合信號(hào)微處理器C8051F041自動(dòng)完成，如信號(hào)的程控放大、信號(hào)的零點(diǎn)校準(zhǔn)、信號(hào)的A／D變換、信號(hào)的數(shù)字濾波以及CAN報(bào)文的形成和收發(fā)控制等；C8051F041是該接口的核心，它不僅完成傳感器信號(hào)到CAN報(bào)文的轉(zhuǎn)換；更通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)調(diào)理的智能控制和對(duì)CAN應(yīng)用層的編程，實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用。

　　2 傳感器信號(hào)調(diào)理

　　考慮到絕大多數(shù)傳感器信號(hào)較弱，且包含大量的噪聲信號(hào)，因此需首先對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理，信號(hào)調(diào)理由信號(hào)預(yù)處理電路結(jié)合S0c中的模擬外設(shè)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。在此，信號(hào)調(diào)理主要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了必要的濾波、放大和零點(diǎn)校準(zhǔn)。

　　2．1 傳感器信號(hào)的濾波處理

　　考慮到日益惡劣的電磁干擾環(huán)境，對(duì)傳感器信號(hào)的濾波分兩級(jí)實(shí)現(xiàn)：終級(jí)為利用SoC中的高速M(fèi)CU對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波(不在此討論)；初級(jí)則是由信號(hào)預(yù)處理電路中R1、R2、C1、C2、C3，組成抗射頻干擾濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。當(dāng)不考慮C3時(shí)，R1、C1和R2、C2就構(gòu)成了傳感器兩輸出端至儀用放大器兩輸入端之間的兩低通濾波器，時(shí)間常數(shù)t1=R1·C1；t2=R2·C2。由于無(wú)論是傳感器至AD623之間的自然連線等效形成的t1和t2，還是人為設(shè)計(jì)的低通濾波器的t1和t2，都不能使RC完全匹配相等，即t1≠t2；△t=t1-t2≠0。這樣耦合到兩根連線上的干擾電磁波，即使是同頻、同相位、同幅值的共模信號(hào)，進(jìn)入AD623進(jìn)行放大時(shí)也必然出現(xiàn)相位差，并由此導(dǎo)致兩輸入端之間的幅值差。當(dāng)干擾信號(hào)頻率較低時(shí)，由于△t相對(duì)干擾信號(hào)的周期較小，造成的兩輸入端之間的幅值差，相對(duì)共模部分很小，利用AD623的共模抑制能力，能對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行較好地抑制(共模部分被抑制，差分部分影響較小)；但當(dāng)干擾信號(hào)頻率較高時(shí)，則△t相對(duì)干擾信號(hào)的周期較大，極端情況如兩路信號(hào)相位差180°時(shí)，則同頻、同相位、同幅值的共模干擾信號(hào)，進(jìn)入AD623時(shí)被合成為兩倍幅值的同頻差分信號(hào)，該差分信號(hào)不僅不能被抑制，還被放大器放大，即被混疊到有效信號(hào)中，難以消除。為此，在兩低通濾波器之間跨接了電容C3，這樣該濾波器的差分帶寬為：

　　其中：R=R1=R2，C=C1=C2。

　　比較(1)(2)兩式可以看出，當(dāng)不接入C3時(shí)，濾波器的差分帶寬等于共模帶寬。因此，在帶寬范圍內(nèi)的共模信號(hào)，因RC不完全匹配(△t≠ 0)引起的幅值差，在帶寬范圍內(nèi)，濾波器不能將其濾除。當(dāng)接入C3后，如果使C3=10C，則差分帶寬比共模帶寬降低了20余倍，因此可大量濾除因RC不匹配引起的差分信號(hào)。

　　2．2 傳感器信號(hào)的放大

　　對(duì)傳感器信號(hào)采用兩級(jí)放大。第一級(jí)用信號(hào)預(yù)處理電路中的儀用放大器AD623，進(jìn)行固定增益的信號(hào)放大，增益G=100 kΩ／R3+1�？筛鶕�(jù)傳感器信號(hào)大小，選擇增益(通過(guò)選取R3阻值獲得)，使通過(guò)一級(jí)放大后的傳感器額定輸出信號(hào)達(dá)到200 mV左右。第二級(jí)放大，用SOC中的程控放大器(PGA)實(shí)現(xiàn)；其可編程增益為0．5、1、2、4、8、16。理論上使一級(jí)放大后的傳感器額定輸出信號(hào)Vg1×16(二級(jí)放大較大增益)近似等于ADC的參考電壓(實(shí)際應(yīng)用中一般為2／3～3／4參考電壓)，從而較有效地利用ADC的分辨率。

　　2．3 傳感器信號(hào)零點(diǎn)的補(bǔ)償與校準(zhǔn)

　　2．3．1 根據(jù)傳感器特性的補(bǔ)償

　　傳感器在工況條件發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)有相應(yīng)的變化，該輸出信號(hào)的變化與被測(cè)物理量無(wú)關(guān)，即為漂移信號(hào)。當(dāng)傳感器給出相應(yīng)的特性值時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)檢測(cè)該工況條件的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的工況條件，利用MCU求得補(bǔ)償量，進(jìn)行補(bǔ)償。導(dǎo)致傳感器零點(diǎn)漂移較常見(jiàn)的特性之一，是溫度特性，為補(bǔ)償因溫度變化引起的漂移，特選用了內(nèi)含溫度傳感器的SoC——C8051F041。由于該接口嵌入傳感器中，因此其檢測(cè)到的溫度變化△t就是傳感器的溫度變化，若已知傳感器的溫度系數(shù)為aT(1／℃)，則補(bǔ)償量VTR為：

　　其中YFS為傳感器的額定輸出。將該補(bǔ)償量疊加到傳感器信號(hào)中，即可消除溫漂的影響。

　　2．3．2 根據(jù)傳感器應(yīng)用特征的補(bǔ)償

　　傳感器零點(diǎn)信號(hào)的漂移，變化是非常緩慢的，在一段時(shí)間內(nèi)的漂移量很小。當(dāng)傳感器工作于間歇方式且被測(cè)物理量的閾值遠(yuǎn)大于傳感器一個(gè)工作周期內(nèi)的漂移量時(shí)，則當(dāng)傳感器輸出信號(hào)小于該閾值時(shí)，該輸出值即為補(bǔ)償量，與傳感器信號(hào)疊加后使輸出信號(hào)為零。

　　為使傳感器信號(hào)與補(bǔ)償量疊加，利用SOC中的12位DAC(如圖2所示)輸出一補(bǔ)償電壓VB接一級(jí)放大器AD623的參考端(引腳5)，則一級(jí)放大器輸出電壓Vout：

　　其中Vc為傳感器輸出的差分電壓信號(hào)’b1為一級(jí)放大器增益。

　　當(dāng)需進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，使VB=VB0+VTB×b1，其中VBO為當(dāng)前(補(bǔ)償前)的VB。將(3)式代入則有：

　　從(6)式中的第2項(xiàng)可見(jiàn)，含有溫度漂移的傳感器輸出信號(hào)Vc被修正，溫漂被補(bǔ)償，零點(diǎn)被校準(zhǔn)。

　　當(dāng)傳感器工作于間歇方式，溫度補(bǔ)償后二級(jí)放大后輸出為V=Vout×b2。當(dāng)V小于被測(cè)物理量的閾值時(shí)，V即為補(bǔ)償量-V，使

　　其中b2為二級(jí)放大器選擇的增益，顯然再經(jīng)二級(jí)放大后的輸出將為0，即零漂被補(bǔ)償了，零點(diǎn)被自動(dòng)校準(zhǔn)了。

　　當(dāng)傳感器工作于非間歇方式，或被測(cè)物理量的閾值很小，與一個(gè)工作周期內(nèi)的漂移量相當(dāng)時(shí)，則需采用人為的零點(diǎn)校準(zhǔn)。即當(dāng)傳感器處于零點(diǎn)時(shí)，發(fā)出校準(zhǔn)指令，收到指令后，MCU立即將當(dāng)前二級(jí)放大后的電壓值V，通過(guò)(7)式疊加到信號(hào)中，使輸出為零，零點(diǎn)被校準(zhǔn)。

　　3 信號(hào)的A／D變換及定標(biāo)

　　CAN總線上傳送的信息為數(shù)字量，為此，選用SoC內(nèi)部的具有12位分辨率、較高轉(zhuǎn)換速度達(dá)到100 ksps的SAR ADC0，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(參見(jiàn)圖2)。該ADC的工作方式與啟動(dòng)方式，將在傳感器接入系統(tǒng)后，由主機(jī)確定。

　　定標(biāo)系數(shù)可通過(guò)標(biāo)定傳感器獲得，即將加載到傳感器上的已知被測(cè)物理量A，除以此時(shí)采集到的數(shù)字量N，即定標(biāo)系數(shù)為A／N；也可通過(guò)傳感器的靈敏度、放大器的增益、ADC的分辨率及參考電壓計(jì)算獲得，但這樣得到的定標(biāo)系數(shù)精度稍差。與定標(biāo)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的物理量綱，則在傳感器接入CAN總線時(shí)，通過(guò)向系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送的電子數(shù)據(jù)表單(Transducer Electronic Data sheet，TEDs)，告知系統(tǒng)主機(jī)；從而系統(tǒng)主機(jī)收到某傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)字量，就是具有特定物理量綱的被測(cè)物理量實(shí)際數(shù)值。這樣做，第一可減少主機(jī)的運(yùn)算工作量；第二也降低了TEDs的復(fù)雜度(只需約定物理量綱，而無(wú)需傳送定標(biāo)系數(shù)等)；第三使接口可靈活地根據(jù)傳感器信號(hào)幅度選擇適當(dāng)?shù)脑鲆�，提高小信�?hào)的分辨率，此時(shí)接口只需自行改變相應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)即可，無(wú)需與主機(jī)交互變換定標(biāo)系數(shù)。

　　4 CAN應(yīng)用層協(xié)議

　　智能接口利用SoC內(nèi)嵌的CAN協(xié)議控制器外加CAN驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文的收發(fā)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。內(nèi)嵌的Silicon Labs CAN協(xié)議控制器，符合Bosch規(guī)范2．0A(基本CAN)和2．0B(全功能CAN)。該CAN控制器包含一個(gè)CAN控制器核、消息RAM(獨(dú)立于CIP-51的RAM)、消息處理器和控制寄存器；由于該協(xié)議控制器不提供物理層的驅(qū)動(dòng)，為此，外接了一個(gè)CAN收發(fā)器CTM8251T，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平。

　　為實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用，需對(duì)收發(fā)的CAN報(bào)文內(nèi)容與格式進(jìn)行一定的約定，即在CAN應(yīng)用層上制定相應(yīng)的協(xié)議，以保證測(cè)控系統(tǒng)的即插即用。

　　4．1 發(fā)送報(bào)文的協(xié)議

相關(guān)閱讀:

• ...2011/05/23 13:50·采用智能傳感器提高汽車應(yīng)用的安全性