杜華程， 許同樂， 黃湘俊， 楊艷輝

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 淄博 255049；2.長沙木年輪電子科技有限公司，湖南 長沙 410013)

基于CAN總線的智能傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計與應(yīng)用*

杜華程1， 許同樂1， 黃湘俊1， 楊艷輝2

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 淄博 255049；2.長沙木年輪電子科技有限公司，湖南 長沙 410013)

針對基于RS—485總線的巖土工程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時性差、可靠性與錯誤檢測能力低的問題，設(shè)計了基于CAN總線的智能傳感器節(jié)點(diǎn)與巖土工程監(jiān)測系統(tǒng)通信。詳述了智能傳感器節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計。通過對基于CAN節(jié)點(diǎn)的位移計在工程安全監(jiān)測上的應(yīng)用，結(jié)果表明：基于CAN總線智能傳感器節(jié)點(diǎn)具有工作穩(wěn)定、性能可靠、精度高等特點(diǎn)。

CAN總線； 傳感器節(jié)點(diǎn); 智能節(jié)點(diǎn)； 巖土工程

0 引 言

目前，國內(nèi)巖土工程自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中，現(xiàn)場總線采用較多的是RS—485工業(yè)總線，其效率低、實(shí)時性差、可靠性低、維護(hù)成本高等[1]。而巖土工程監(jiān)測要求抗干擾性強(qiáng)、多節(jié)點(diǎn)、長距離傳輸，基于RS—485總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以滿足要求，CAN總線在通信能力、可靠性、靈活性、成本低等方面相較于RS—485有著明顯的優(yōu)勢。

本文采用CAN總線代替RS—485總線，設(shè)計研發(fā)基于CAN總線的巖土工程自動化監(jiān)測智能節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)巖土工程監(jiān)測中長距離、多點(diǎn)、及時性強(qiáng)等特征，可以有效解決目前巖土工程監(jiān)測中的這些問題，減少建設(shè)工程存在的安全隱患[2]。

1 智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

基于CAN總線的數(shù)字式傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有統(tǒng)一的工業(yè)總線接口，多只傳感器可以一起以CAN總線方式連接，并可以直接與PC連接或者通過數(shù)據(jù)采集箱與計算機(jī)相連，從而進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與自動化測量。本文設(shè)計的節(jié)點(diǎn)是由帶有CAN控制器的微處理器和CAN收發(fā)器芯片等組成的智能節(jié)點(diǎn)，本智能節(jié)點(diǎn)主要由核心微處理器LPC11C14、模擬信號采集前端電路、CAN總線電路、溫度傳感器電路、實(shí)時時鐘電路，以及EEPROM存儲器電路等組成?；贑AN總線的傳感器智能節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計

1.2.1 微處理器

微處理器是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理、記錄采集數(shù)據(jù)、通過CAN總線上傳數(shù)據(jù)或接收并處理管理中心發(fā)出的控制命令等任務(wù)，根據(jù)系統(tǒng)采用小體積、低功耗設(shè)計的要求，選用基于Cotex-M0內(nèi)核的32位微處理器LPC11C14，單片機(jī)本身就集成CAN控制器，內(nèi)部ROM集成供CAN和CAN Open標(biāo)準(zhǔn)使用的初始化和通信的API函數(shù)，用戶可直接調(diào)用。具有32 kB片內(nèi)Flash程序存儲器 ，具備±1LSB DNL的8通道高精度10位ADC，可選擇通過CAN或UART接口進(jìn)行Flash ISP編程等。

圖1 硬件組成框圖

1.2.2 CAN總線模塊

CAN總線信號CANTX和CANRX從C8051F040出來后先分別經(jīng)過數(shù)字隔離電路進(jìn)行電氣隔離,再經(jīng)過具有高EMC性能CAN總線收發(fā)器接口芯片TJA1040,然后接到CAN數(shù)據(jù)線上[3]。由于巖土工程現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁干擾等比較嚴(yán)重，為了保證系統(tǒng)的可靠性，節(jié)點(diǎn)的控制器和接收器之間采用雙路高速磁隔離器ADUM3201數(shù)字隔離，避免總線上的瞬時干擾。在數(shù)字隔離和CAN收發(fā)器的電源之間選用的DC-DC電源模塊ZY0505BS-1W進(jìn)行電源隔離,提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性與安全性。為了進(jìn)一步確保采集系統(tǒng)的抗干擾能力和驅(qū)動能力抗干擾性能，在CAN總線上串聯(lián)保險絲SDM020，并聯(lián)電容器濾除總線上高頻干擾，也有防電磁輻射的功能，在地與總線接入端接入保護(hù)二極管，可以起到過壓保護(hù)作用[4]。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 CAN總線模塊電路原理圖

1.2.3 溫度補(bǔ)償模塊

由于熱脹冷縮效應(yīng)，在同樣的物理量(壓力、拉力、應(yīng)變、位移等)作用于傳感器的情況下，溫度不同時傳感器輸出的頻率也會發(fā)生變化。如果不采取補(bǔ)償處理，就會影響傳感器的測量精度，降低了傳感器的長期穩(wěn)定性[5]。因此，設(shè)計基于DS18B20數(shù)字溫度實(shí)時檢測模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在進(jìn)行測量讀出傳感器的頻率后，根據(jù)當(dāng)前的溫度將頻率值換算至標(biāo)定時的溫度值對應(yīng)的頻率值，再根據(jù)標(biāo)定的結(jié)果換算成物理量，從而提高測量精度。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 溫度補(bǔ)償模塊電路原理圖

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的整體流程如下圖4所示，系統(tǒng)在上電后，先進(jìn)行初始化?；诘凸牡目紤]，主控制器MCU LPC11C14在初始化CAN后，將所有IO,MCU的片內(nèi)外設(shè)以及片外的傳感器設(shè)備進(jìn)入低功耗或掉電模式狀態(tài)，然后將自身設(shè)置進(jìn)入休眠模式。通過傳感器內(nèi)部RTC定時喚醒MCU，主機(jī)可通過CAN向傳感器發(fā)送指定的操作命令，MCU在接收到主機(jī)傳送的命令字之后，進(jìn)行相應(yīng)的操作，比如:采集當(dāng)前溫度、頻率信息，并根據(jù)需要寫入EEPROM或通過CAN 總線將數(shù)據(jù)返回給遠(yuǎn)程主機(jī)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的工業(yè)化、自動化數(shù)據(jù)采集功能。

圖4 整體流程圖

3 工程應(yīng)用分析

將節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于某煤礦的采空區(qū)自動化監(jiān)測工程中，通過多個CAN總線智能節(jié)點(diǎn)與PC進(jìn)行連網(wǎng)，組成頂?shù)装逡平吭诰€監(jiān)測系統(tǒng)，在準(zhǔn)備充填的某采面根據(jù)采空區(qū)內(nèi)部情況和井上居民區(qū)分布情況選擇頂?shù)装逡平勘O(jiān)測點(diǎn)，每個測點(diǎn)布置一個基于CAN節(jié)點(diǎn)的頂?shù)装逡平總鞲衅?。各個傳感器與接線盒相連接的信號傳輸總線把每個測點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳入自動采集箱，視傳輸信號的強(qiáng)弱在傳輸總線中加入CAN中繼器。當(dāng)自動采集箱收到監(jiān)測服務(wù)器(計算機(jī))的巡測指令或到預(yù)先設(shè)置的自動采集時間時，自動采集箱通過CAN總線實(shí)時采集移近量和溫度值，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測服務(wù)器，由工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖6、圖7分別為測點(diǎn)1在2013年7月10日～9月10日期間采空區(qū)填充時前后溫度變化和頂?shù)装逡平孔兓?/p>

在實(shí)際工程應(yīng)用中，智能傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和傳輸順暢，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)滯后和混亂報錯現(xiàn)象，采空區(qū)填充時，從測點(diǎn)1采集的溫度變化圖5與頂?shù)装逡平孔兓瘓D6可以得知，填充前后測點(diǎn)檢測溫度最高位47.7 ℃，這與實(shí)驗(yàn)室填充物反應(yīng)時的最高溫度相近；頂?shù)装逡平靠偟淖兓繛?1.1 mm,與預(yù)想變化相符,這說明基于CAN總線的智能傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集和傳輸方面具有監(jiān)測準(zhǔn)確、可靠性高、數(shù)據(jù)采集效率高等特點(diǎn)。

圖5 溫度變化

圖6 頂?shù)装逡平孔兓?/p>

4 結(jié) 論

1)在巖土工程自動化監(jiān)測智能傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計，其體積小、功耗低、自動化程度高，方便攜帶安裝；采用溫度自動補(bǔ)償技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度。傳感器節(jié)點(diǎn)作為下位機(jī)可定時測量，可主動請求上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)可省去中間環(huán)節(jié)。

2)采用CAN總線技術(shù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時性和可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性與穩(wěn)定性，保證巖土工程的監(jiān)測工作的準(zhǔn)確性與效率。

3)在實(shí)際工程中，該節(jié)點(diǎn)能夠滿足快速、可靠、多種測量環(huán)境下的傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸，降低了相關(guān)監(jiān)測與管理成本，說明該智能節(jié)點(diǎn)有著廣泛的應(yīng)用價值。

[1] 楊 旗，陸云龍.基于CAN總線的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].儀器技術(shù)與傳感器，2011(9):95-96.

[2] 孫樹文,楊建武,張慧慧,等.基于CAN 總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2006,22(2-8):55-57.

[3] 張 弘，于盛林.基于C8051F040的CAN總線傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計[J].測控技術(shù)，2007，26(6):62-64.

[4] 牛躍聽，周立功，方 丹，等.CAN總線嵌入式開發(fā)——從入門到實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[5] 李 強(qiáng),梁 莉,劉 楨,等.具有溫度補(bǔ)償功能的智能壓力傳感器系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報,2008,29(9):1934-1938.

Design and application of intelligent sensor nodebased on CAN bus*

DU Hua-cheng1, XU Tong-le1, HUANG Xiang-jun1, YANG Yan-hui2

(1.School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China; 2.Changsha Wooden Rings Electronic Technology Company,Changsha 410013,China)

Aiming at problem of poor real-time,low reliability,low error detection ability of geotechnical engineering data acquisition system based on RS—485 bus,intelligent sensor node based on CAN bus is designed and communicate with geotechnical engineering monitoring system.Mainly introduce design of hardware and software of intelligent sensor node.By means of application of displacement meter based on CAN node in engineering safety monitoring, results show that the intelligent sensor node has characteristics of stable working,reliable property,and high precision.

CAN bus; sensor node; intelligent node; geotechnical engineering

2014—07—02

山東省高等學(xué)校科技計劃資助項(xiàng)目(J10LG22)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2013FM005)

10.13873/J.1000—9787(2015)02—0082—03

TP 212

B

1000—9787(2015)02—0082—03

杜華程(1989-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事智能測試技術(shù)與儀器方面的研究。