楊芬,吳伯農(nóng),吳海軍

(北方工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,北京100144)

楊芬(碩士研究生),主要研究領(lǐng)域為智能儀器與測控技術(shù)。

引 言

測控系統(tǒng)離不開傳感器[1]。由于各種傳感器的工作原理不同,其最終輸出的電量形式各不相同。即使同一類傳感器,其靈敏度、測量范圍不同,相同電信號代表的物理量也不盡相同。因此,傳統(tǒng)的測控系統(tǒng),必須對系統(tǒng)中的每一個傳感器進行配置,傳感器類型、靈敏度、測量范圍等的細(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,以改變測控系統(tǒng)的規(guī)模,則需對整個系統(tǒng)(軟件、硬件及布線)。進行重新配置。這無疑極大地限制了測控系統(tǒng)的靈活性,制約了測控系統(tǒng)的擴展性。CAN的通信硬件接口簡單,通信線少,通信介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜或者光纜[2]。將測控系統(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總線上的一個智能節(jié)點,即易于實現(xiàn)傳感器的即插即用,也提高了測控系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

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:一是控制傳感器的信號調(diào)理,將傳感器的輸出模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并進行相應(yīng)的處理,形成可發(fā)送的CAN報文信息;二是控制CAN驅(qū)動器,收/發(fā)CAN總線上的報文信息,并執(zhí)行相應(yīng)的智能控制。智能接口系統(tǒng)構(gòu)成[3]如圖1所示。

圖1 智能接口系統(tǒng)構(gòu)成

針對大多數(shù)模擬傳感器輸出信號較弱的特點,接口首先對傳感器信號進行一級放大和濾波的預(yù)處理,預(yù)處理后的傳感器信號幅度在200 mV左右,單端輸出。此后對該信號的處理完全由基于SOC技術(shù)的混合信號微處理器C8051F041[4]自動完成,如信號的程控放大、信號的零點校準(zhǔn)、信號的A/D變換、信號的數(shù)字濾波以及CAN報文的形成和收發(fā)控制等;C8051F041是該接口的核心,它不僅完成傳感器信號到CAN報文的轉(zhuǎn)換;更通過對傳感器信號調(diào)理的智能控制和對CAN應(yīng)用層的編程,實現(xiàn)傳感器的即插即用。

2 傳感器信號調(diào)理

考慮到絕大多數(shù)傳感器信號較弱,且包含大量的噪聲信號,因此需首先對傳感器輸出的模擬信號進行必要的調(diào)理,信號調(diào)理由信號預(yù)處理電路結(jié)合SOC中的模擬外設(shè)實現(xiàn),如圖2所示。在此,信號調(diào)理主要對傳感器信號進行了必要的濾波、放大和零點校準(zhǔn)[5]。

圖2 傳感器信號調(diào)理電路

2.1 傳感器信號的濾波處理

考慮到日益惡劣的電磁干擾環(huán)境,對傳感器信號的濾波分兩級實現(xiàn):終級為利用SoC中的高速MCU對采集的信號進行數(shù)字濾波(不在此討論);初級則是由信號預(yù)處理電路中R1、R2、C1、C2、C3,組成抗射頻干擾濾波器來實現(xiàn),如圖2所示。當(dāng)不考慮 C3時,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,時間常數(shù)t1=R1?C1;t2=R2?C2。由于無論是傳感器至 AD623[6]之間的自然連線等效形成的t1和t2,還是人為設(shè)計的低通濾波器的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,進入AD623進行放大時也必然出現(xiàn)相位差,并由此導(dǎo)致兩輸入端之間的幅值差。當(dāng)干擾信號頻率較低時,由于△t相對干擾信號的周期較小,造成的兩輸入端之間的幅值差,相對共模部分很小,利用AD623的共模抑制能力,能對干擾信號進行較好地抑制(共模部分被抑制,差分部分影響較小);但當(dāng)干擾信號頻率較高時,則△t相對干擾信號的周期較大,極端情況如兩路信號相位差180°時,則同頻、同相位、同幅值的共模干擾信號,進入AD623時被合成為兩倍幅值的同頻差分信號,該差分信號不僅不能被抑制,還被放大器放大,即被混疊到有效信號中,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:[7]

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,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,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。

2.2 傳感器信號的放大

對傳感器信號采用兩級放大。第一級用信號預(yù)處理電路中的儀用放大器AD623,進行固定增益的信號放大,增益G=100 kΩ/R3+1[8]?？筛鶕?jù)傳感器信號大小,選擇增益(通過選取R3阻值獲得),使通過一級放大后的傳感器額定輸出信號達(dá)到200 mV左右。第二級放大,用SOC中的程控放大器(PGA)實現(xiàn);其可編程增益為0.5、1、2、4、8、16。理論上使一級放大后的傳感器額定輸出信號Vg1×16(二級放大最大增益)近似等于ADC的參考電壓(實際應(yīng)用中一般為2/3～3/4參考電壓),從而最有效地利用ADC的分辨率。

2.3 傳感器信號零點的補償與校準(zhǔn)

2.3.1 根據(jù)傳感器特性的補償[9]

傳感器在工況條件發(fā)生變化時,輸出信號會有相應(yīng)的變化,該輸出信號的變化與被測物理量無關(guān),即為漂移信號。當(dāng)傳感器給出相應(yīng)的特性值時,應(yīng)設(shè)計檢測該工況條件的傳感器,實時監(jiān)測傳感器的工況條件,利用MCU求得補償量,進行補償。導(dǎo)致傳感器零點漂移最常見的特性之一,是溫度特性,為補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/℃),則補償量VTB為:

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

2.3.2根據(jù)傳感器應(yīng)用特征的補償[9]

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

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

其中Vc為傳感器輸出的差分電壓信號,b1為一級放大器增益。

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

代入(4)式,則進入二級放大器的有效信號:

從(6)式中的第2項可見,含有溫度漂移的傳感器輸出信號Vc被修正,溫漂被補償,零點被校準(zhǔn)。

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

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

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

3 信號的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、最高轉(zhuǎn)換速度達(dá)到100 ksps的SAR ADC0,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(參見圖2)。該ADC的工作方式與啟動方式,將在傳感器接入系統(tǒng)后,由主機確定。

定標(biāo)系數(shù)可通過標(biāo)定傳感器獲得,即將加載到傳感器上的已知被測物理量A,除以此時采集到的數(shù)字量N,即定標(biāo)系數(shù)為A/N;也可通過傳感器的靈敏度、放大器的增益、ADC的分辨率及參考電壓計算獲得,但這樣得到的定標(biāo)系數(shù)精度稍差。與定標(biāo)系數(shù)所對應(yīng)的物理量綱,則在傳感器接入CAN總線時,通過向系統(tǒng)主機發(fā)送的電子數(shù)據(jù)表單(Transducer Electronic Data sheet,TEDs),告知系統(tǒng)主機;從而系統(tǒng)主機收到某傳感器發(fā)來的數(shù)字量,就是具有特定物理量綱的被測物理量實際數(shù)值。這樣做,第一可減少主機的運算工作量;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)傳感器信號幅度選擇適當(dāng)?shù)脑鲆?提高小信號的分辨率,此時接口只需自行改變相應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)即可,無需與主機交互變換定標(biāo)系數(shù)[10]。

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)動器,實現(xiàn)CAN報文的收發(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)[11]。該CAN控制器包含一個CAN控制器核、消息 RAM(獨立于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,為此,外接了一個CAN收發(fā)器CTM8251T[12],將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平。

圖3 CAN報文收發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成

為實現(xiàn)傳感器的即插即用,需對收發(fā)的CAN報文內(nèi)容與格式進行一定的約定,即在CAN應(yīng)用層上制定相應(yīng)的協(xié)議[13],以保證測控系統(tǒng)的即插即用。

4.1 發(fā)送報文的協(xié)議

由圖3可見,該SoC內(nèi)嵌的消息RAM可保存32個消息對象[14]。協(xié)議將其中的3個消息對象配置為下面介紹的發(fā)送消息對象。

4.1.1 發(fā)送電子數(shù)據(jù)表單

傳感器初次接入系統(tǒng)時,須首先向主機申請加入——申請從機ID標(biāo)識。申請辦法是:傳感器一接入系統(tǒng),立即發(fā)送其第1條消息對象,發(fā)送的報文為一數(shù)據(jù)幀,其仲裁域的ID是系統(tǒng)特別約定的“申請ID”。約定:系統(tǒng)中僅主機對申請ID作出反應(yīng),即通過讀取該數(shù)據(jù)幀的8字節(jié)數(shù)據(jù)(該傳感器的電子數(shù)據(jù)表單——TEDs),了解該傳感器的類型、特性、編號、物理量綱及數(shù)據(jù)特征。主機比較/記錄該數(shù)據(jù)項,并根據(jù)其TEDs中類型、特性項,結(jié)合系統(tǒng)要求,確定其諸如采樣方式、采樣周期、是否數(shù)字濾波、濾波方式、數(shù)據(jù)區(qū)長度等,并分配給其相應(yīng)的從機“標(biāo)識ID”和啟動A/D轉(zhuǎn)換的“啟動ID”。傳感器 TEDs中的編號項,用于區(qū)分系統(tǒng)中類型、特性相同的傳感器;物理量綱項,用于告知主機該傳感器所傳數(shù)據(jù)的實際物理單位,也表征了該被測物理量數(shù)值的實際大小;數(shù)據(jù)特征項,用于表征所傳16位數(shù)據(jù)的特征(BCD碼、二進制整數(shù)、二進制小數(shù)、小數(shù)點位置等)。

申請ID,一般可約定采用CAN系統(tǒng)優(yōu)先級較低的ID,確定后,系統(tǒng)主機將不再將此ID分配給任何CAN節(jié)點。

4.1.2發(fā)送配置/管理申請

傳感器可獲得主機分配的2個從機標(biāo)識ID,分別為“標(biāo)識1ID”和“標(biāo)識0ID”。用標(biāo)識1ID配置第2條發(fā)送消息對象,該消息對象將成為與主機交互的發(fā)送接口,用于向主機申請各種各樣的配置/管理要求。但當(dāng)傳感器由于某些原因需要重新接入系統(tǒng)時,仍需用第1條發(fā)送消息對象向主機申請加入。

4.1.3 發(fā)送數(shù)據(jù)

由于物理接口方面的原因,目前CAN網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大約在110個節(jié)點左右,即使BasicCAN也有11位的ID標(biāo)識,所能標(biāo)識的節(jié)點數(shù)遠(yuǎn)超當(dāng)前所能使用的節(jié)點數(shù),只是11位ID的最低3位不參與報文濾波。為此,規(guī)定:主機分配給節(jié)點的兩個從機標(biāo)識ID,其前10位相同,最低位為1即標(biāo)識1 ID,用于配置第2條發(fā)送消息對象,該消息對象為與主機進行常規(guī)交互的發(fā)送接口,如上所述;最低位為0即從機標(biāo)識0 ID,用于配置第3條發(fā)送消息對象,該消息對象用于上傳節(jié)點數(shù)據(jù)。

4.2 接收報文的協(xié)議

協(xié)議要求配置3個接收消息對象,作用分別為:

①濾波接收用本節(jié)點“申請ID”發(fā)來的數(shù)據(jù)幀。傳感器接入系統(tǒng)后,首先用申請ID發(fā)送傳感器電子數(shù)據(jù)表單,主機用同樣的ID回復(fù)一數(shù)據(jù)幀,該數(shù)據(jù)幀包含有分配給傳感器的標(biāo)識ID、啟動ADC的啟動ID及對該節(jié)點的基本配置要求。CAN控制器配置的第1條接收消息對象,即用來濾波接收該數(shù)據(jù)幀。

②濾波接收用本節(jié)點“標(biāo)識ID”發(fā)來的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)需要對傳感器進一步進行配置管理時,用第2條發(fā)送消息對象,向主機發(fā)送配置/管理申請,主機將使用相同的ID(該從機的標(biāo)識ID),回復(fù)對其的配置/管理指令(位于該報文數(shù)據(jù)域)。為此,需配置第2條接收消息對象,濾波接收用本從機標(biāo)識ID發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。

③濾波接收用本節(jié)點“啟動ID”發(fā)來的數(shù)據(jù)幀。用啟動ID配置第3條接收消息對象,即該消息對象能實現(xiàn)對該“啟動ID”的濾波。

結(jié) 語

基于SOC技術(shù)的C8051F041的使用,極大地簡化了系統(tǒng)構(gòu)成,最大限度地減小了接口板的尺寸,使其更易于嵌入傳感器中。由MCU控制的信號調(diào)理、零點校準(zhǔn)及信息的定標(biāo)轉(zhuǎn)換,使傳感器成為CAN總線上的一個智能節(jié)點,從而可充分利用CAN總線的各種技術(shù)優(yōu)勢。再通過設(shè)計一套比較完備的應(yīng)用層協(xié)議,最終實現(xiàn)了傳感器的即插即用。

編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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