基于CAN總線(xiàn)的智能薄膜壓力變送器總體方案設(shè)計(jì)
一、主要技術(shù)指標(biāo)
量程：０－60Mpa；輸出：４－２０mA模擬量輸出與CAN總線(xiàn)數(shù)字量輸出；供電電源：２４VDC；對(duì)外接口：5線(xiàn)制；通信距離：５０－１００m；通信速率：125Kbps，250Kbps，500Kbps可調(diào)。非線(xiàn)性：0.1%FS；準(zhǔn)確度：0.2% FS；零點(diǎn)漂移：0.01%FS/h；頻率響應(yīng)：>=1000Hz(隨機(jī)試驗(yàn))。
二、總體設(shè)計(jì)框圖
圖1 CAN總線(xiàn)智能薄膜壓力變送器總體設(shè)計(jì)框圖
三、原理介紹
四臂差動(dòng)全橋在外部恒壓源（或恒流源）供電的條件下，感受外部壓力，輸出一微弱電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)與壓力成近似線(xiàn)性關(guān)系。傳感器信號(hào)調(diào)理芯片給電橋提供激勵(lì)源（恒壓源或恒流源），對(duì)電橋輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大，A/D轉(zhuǎn)換，在數(shù)字域?qū)鞲衅餍盘?hào)進(jìn)行零點(diǎn)偏移調(diào)整，溫漂補(bǔ)償，非線(xiàn)性校正。并將校正之后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出一電壓信號(hào)或電流信號(hào)。另外，信號(hào)調(diào)理芯片也將校正之后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)IIC接口以數(shù)字量的形式輸出。在這里信號(hào)調(diào)理芯片被設(shè)置成電壓輸出，輸出的0-5V信號(hào)由XTR110轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)。利用單片機(jī)P87C591的IIC接口將信號(hào)調(diào)理芯片輸出的校準(zhǔn)壓力數(shù)字信號(hào)接收，并打包封裝成CAN數(shù)據(jù)幀，從自帶的CAN控制器接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN總線(xiàn)收發(fā)器TJA1050。為防止總線(xiàn)干擾信號(hào)影響單片機(jī)的正確運(yùn)行，在數(shù)據(jù)傳輸給TJA1050之前必需進(jìn)行電氣隔離。電氣隔離由ADuM1201和B0505S來(lái)完成。
四、關(guān)鍵因素、難點(diǎn)及解決方案
①、對(duì)于同一個(gè)壓力信號(hào)既要求4-20mA模擬量輸出，又要求CAN總線(xiàn)數(shù)字量輸出,且兩者一一對(duì)應(yīng)。
措施：采用傳感器信號(hào)調(diào)理芯片。該芯片內(nèi)部的數(shù)字校準(zhǔn)處理器能夠補(bǔ)賞傳感器偏移、靈敏度、溫漂和非線(xiàn)型性，還能輸出校準(zhǔn)之后的模擬信號(hào)以及與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。
②、此變送器對(duì)外的接口是5線(xiàn)制(+24V，GND，CANH ，CANL，4-20mA)，因此壓力模擬信號(hào)只能采用3線(xiàn)制的4-20mA輸出形式，而信號(hào)調(diào)理芯片的電流輸出只能采用2線(xiàn)制環(huán)路。
措施：將信號(hào)調(diào)理芯片的輸出設(shè)置為0-5V電壓信號(hào)，然后采用XTR110將0-5V電壓轉(zhuǎn)換為3線(xiàn)制的4-20mA電流輸出。
③、CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)通信速率要隨具體通信距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
措施；在電路板上設(shè)置跳線(xiàn)，供用戶(hù)根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。單片機(jī)根據(jù)用戶(hù)的設(shè)置來(lái)修改CAN總線(xiàn)的位定時(shí)寄存器，從而達(dá)到更改通信速率的目的。
④、產(chǎn)品的電磁兼容性滿(mǎn)足GJB150A，CAN總線(xiàn)易受到外部的電磁干擾。
措施：電源隔離，CAN總線(xiàn)收發(fā)器TJA1050 與CAN總線(xiàn)的接口部分采用一定的安全和抗干擾措施，TJA1050 的CANH 和CANL 引腳各自通過(guò)一個(gè)5omh的電阻與CAN總線(xiàn)相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)TJA1050 免受過(guò)流的沖擊，CANH 和CANL 與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30P 的小電容可以起到濾除總線(xiàn)上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外在兩根CAN總線(xiàn)接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線(xiàn)有較高的負(fù)電壓時(shí)通過(guò)二極管短路可起到一定的過(guò)壓保護(hù)作。在CAN總線(xiàn)兩端各接一個(gè)120omh的匹配電阻，減小總線(xiàn)上的電流反射。在兩根CAN總線(xiàn)接入端之間并入了5.6V的TVS管，當(dāng)CAN總線(xiàn)竄入電壓干擾時(shí)可通過(guò)TVS管短路起到一定的過(guò)壓保護(hù)作用。為了減小現(xiàn)場(chǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的干擾，要求采用屏蔽雙絞線(xiàn)。
五、關(guān)鍵元件選型
傳感器：采用的壓力傳感器芯體，4mA恒流源供電時(shí)輸出900mV；精度為0.25%FS，如傳感器量程用于0~50%FS范圍，精度可改善2到4倍。選用傳感器信號(hào)調(diào)理芯片適用于的橋式傳感器（輸入信號(hào)范圍1~~275mV/V）；內(nèi)部的數(shù)字校準(zhǔn)處理器能夠補(bǔ)賞傳感器零點(diǎn)偏移、靈敏度、溫漂和非線(xiàn)性，還能輸出校準(zhǔn)之后的模擬信號(hào)以及與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。工作溫度：-40℃~125℃。
電壓轉(zhuǎn)電流：選用XTR110，可選的輸入/輸出范圍。通過(guò)少量的外部元件配置可以使其完成0-5V輸入，4-20mA輸出。最大的非線(xiàn)性為0.005%。寬供電電壓13.5-40V，16管腳貼片封裝。最寬工作溫度為-55℃~125℃。
單片機(jī)：選用Philips生產(chǎn)的P87C591（OTP），該芯片具有80C51內(nèi)核，集成了CAN控制器，IIC接口，看門(mén)狗。內(nèi)部帶有16KB的程序存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器可外擴(kuò)到64KB。指令周期500ns@12MHz，工作溫度-40℃~85℃。
CAN隔離器件：選用AD公司的ADuM1201，8腳封裝兩通道雙向隔離傳輸。最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Mbps。隔離電壓為2500Vrms（持續(xù)1分鐘）。5V供電，0-2Mbps時(shí)，每個(gè)通道的電流消耗為1.1mA。工作溫度-40℃-105℃
CAN收發(fā)器：philips生產(chǎn)的TJA1050，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，低的電磁輻射能力，它提供差分收發(fā)功能，負(fù)責(zé)連接CAN控制器和CAN物理總線(xiàn)，最高速率可達(dá)1Mbps。工作溫度-40℃-+125℃
六、驗(yàn)證用主控制器方案
為驗(yàn)證智能薄膜壓力變送器的功能及性能指標(biāo)，必須設(shè)計(jì)一主控制器和多個(gè)變送器進(jìn)行單向（必要時(shí)增加雙向）CAN總線(xiàn)通訊，并將4-20mA模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將每個(gè)變送器節(jié)點(diǎn)的壓力值顯示出來(lái)。這個(gè)主控制器必須具備CAN總線(xiàn)通信、模數(shù)轉(zhuǎn)換、壓力值顯示、能與PC通信等功能。為方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，這個(gè)控制器必須體積小、攜帶方便的特點(diǎn)。
我們研究的重點(diǎn)是智能變送器單元，為保證項(xiàng)目進(jìn)度，液晶顯示將作為可選部分。整個(gè)系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源為總線(xiàn)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供+24V電源。
CAN總線(xiàn)收發(fā)器、隔離器件、電源隔離模塊的選擇和壓力變送器節(jié)點(diǎn)相同。單片微處理器選擇atmel公司的T89C51CC02，該芯片采用51內(nèi)核，256字節(jié)的RAM，256字節(jié)XRAM，16KB的在片flash。2KB的在片啟動(dòng)flash，支持ISP和IAP，一個(gè)全雙工的UART，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、21bits的看門(mén)狗定時(shí)器、10位的A/D轉(zhuǎn)換器、全功能的CAN控制器。供電電壓3V-5.5V。工作溫度-40℃~+85℃。
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