基于MC9S08DZ60的CAN總線振動傳感器設(shè)計

　　1 引言

　　隨著人們安全意識的不斷提高設(shè)備的安全監(jiān)測顯得越發(fā)重要。各種在線監(jiān)測設(shè)備層出不窮，但大多都受到傳統(tǒng)總線速率較低，傳輸精度不高的限制。CAN總線以其在汽車行業(yè)內(nèi)實時、可靠、靈活的應用而備受矚目，進而不斷有其他領(lǐng)域的CAN總線應用產(chǎn)品出現(xiàn)，基于CAN 總線的振動傳感器正是其中一種，組網(wǎng)后的傳感器能夠很好地實現(xiàn)大型裝置的在線監(jiān)測，為企業(yè)的安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

　　2 器件簡介

　　2.1 MC9S08DZ60單片機

　　飛思卡爾公司的MC9S08DZ系列單機片內(nèi)嵌 CAN的微控制器，并將內(nèi)嵌的CAN、EPROM和片上仿真/調(diào)試模塊組合在一起，集成了所有的功能，設(shè)計人員可以便捷地轉(zhuǎn)向其設(shè)計流程。 MC9S08DZ60型單機片可提供60 KB的片上flash、4 KB的片上RAM、2 KB的E2PROM。它具有串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI)、看門狗定時器(COP Watch-dog)、多達24通道的12 bit的A/D轉(zhuǎn)換模塊，另外還有I2C總線模塊和多個定時器、計數(shù)器等。其獨特的片上仿真/調(diào)試模塊(BDG)更是大大簡化設(shè)計，從而確保了 MC9S08DZ60在汽車和工控的應用地位。

　　2.2 AD536A有效值轉(zhuǎn)換器

　　AD536A是一款有效值轉(zhuǎn)換器。它可以連續(xù)、實時地計算輸入信號的平方、平均值。且得到的直流電壓值正比于輸入信號的有效值RMS。AD536A具有相當大的響應帶寬，在輸入有效值大于100 mV時.帶寬為450 kHz，而輸入大于1 V時，帶寬增大到2 MHz。1.2 mA的靜態(tài)工作電流和寬泛的工作溫度使其應用廣泛。

　　AD536A計算RMS時，首先求得絕對值(整流電路);然后進行平方計算：最后是平均計算，即除以反饋的輸出電壓;再經(jīng)濾波得出結(jié)果。這里要求平均的時間常數(shù)要遠大于待測信號的周期，這樣才能保證測試精度。

　　2.3 TJA1040 CAN收發(fā)器

　　TJA1040是一款高速CAN收發(fā)器，與PCA82C250/251引腳相兼容，TJA1040還提供不上電環(huán)境下理想的無源特性。TJA1040和 PCA82C250/251相比較，具有以下幾點優(yōu)勢：(1)如果不上電，總線上完全無源;如果VCC關(guān)閉，總線上看不到。(2)在待機模式時電流消耗極低，最大電流僅為15μA。(3)改良的電磁輻射EME性能。(4)改良的電磁抗干擾EMI性能。(5)SPLIT引腳代替Vref。引腳對總線的DC穩(wěn)壓很有效。

　　TJA1040向下兼容PCA82C250/251，并且可在已有PCA82C250/251的應用中使用，而硬件和軟件無需任何修改。

　　3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　整個傳感器包括采集、濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理上傳等模塊，如圖1所示。采集模塊使用環(huán)形剪切的傳感器，將裝置的振動量轉(zhuǎn)變?yōu)轫憫奈⑿‰妷汉笏腿藶V波放大電路。信號經(jīng)放大濾波電路分成：高頻加速度、低頻加速度、速度、位移4個測量參數(shù)再傳輸?shù)接行е缔D(zhuǎn)換。這些信號經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換和單片機A/D轉(zhuǎn)換模塊后存入單片機，再經(jīng)由CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳至主控機備份。

　　3.1 濾波放大模塊

　　圖2為濾波放大模塊組成框圖，南于壓電陶瓷轉(zhuǎn)變后的電信號含有噪聲，前端的電壓跟隨主要是去噪放大。系統(tǒng)將對1O Hz～1 kHz內(nèi)的信號進行分析，其中包括10 Hz兩級高通加速度、10 Hz～1 kHz低頻加速度，10 Hz～1 kHz低頻速度、10 Hz～1 kHz低頻位移。它們經(jīng)單片機控制的多路開關(guān)傳輸至有效值轉(zhuǎn)換器。這里積分器并沒有采用典型積分方式，而是采用一種近似的方法，如圖3所示。這種方式能夠有效減少噪聲，保證純凈信號。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集存儲和CAN通信兩大模塊。上電初始化后，單片機開始采集A/D轉(zhuǎn)換信號，按照高頻加速度、低頻加速度、速度、位移的次序采集信號，并存儲到片上存儲單元。而與主機的CAN通信將以中斷形式完成。圖5為系統(tǒng)整體流程。

　　4.1 采集存儲程序設(shè)計

　　由有效值轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)將接人片上A/D轉(zhuǎn)換模塊，MC9S08DZ60單片機提供 24路12 bit的A/D轉(zhuǎn)換模塊。上電后對該模塊初始化操作，典型的初始化方式：(1)更新配置寄存器ADDCFG用以選擇A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘源和設(shè)定內(nèi)部時鐘頻率ADCK。該寄存器還可設(shè)置采樣時間等參數(shù)。(2)更新狀態(tài)控制寄存器ADCSC2，該寄存器可設(shè)定轉(zhuǎn)換的觸發(fā)方式，如果作為比較器使用時還可設(shè)定比較方式。(3)更新狀態(tài)控制寄存器ADCSC1，該寄存器可用來設(shè)定轉(zhuǎn)換方式，即持續(xù)轉(zhuǎn)換和單次轉(zhuǎn)換。該寄存器還可設(shè)定轉(zhuǎn)換通道以及轉(zhuǎn)換完成后是否觸發(fā)中斷。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入結(jié)果寄存器ADCRL和ADCRH供系統(tǒng)調(diào)用。

　　系統(tǒng)上電初始化后，系統(tǒng)主程序按照高頻加速度、低頻加速度、速度、位移的順序依次設(shè)定模擬開關(guān)，為防止因剛剛選定通道后信號不穩(wěn)定而造成測量失真，因此需加入一段延時程序。延時過后，片上A/D轉(zhuǎn)換器模塊采集原始和10倍信號，與門限對比后，存入存儲單元。為保證數(shù)據(jù)的有效性，采用采集多組數(shù)據(jù)后平均方式。在存儲之前，處理后的數(shù)據(jù)會與單片機內(nèi)部警告門限(可設(shè)定)相比對，如果超出預警門限，則再次測量此信號，若連續(xù)3次超出門限，將觸發(fā)預警中斷，向上位機發(fā)出預警。

　　4.2 CAN通信模塊

　　4.2.1 CAN模塊簡介

　　MC9S08DZ60內(nèi)部集成了應用CAN 2.0A/B協(xié)議的CAN控制器，包含5個先進先出的接收寄存器，3個使用本地優(yōu)先級的發(fā)送寄存器。在ID識別方面提供了64 bit的掩碼寄存器，可分用為2個32 bit的滿值寄存器，或4個16 bit、8個8 bit的寄存器，這使總線上的消息尋址更加靈活方便。為滿足低功耗需求，該模塊提供睡眠、掉電和MSCAN使能3種模式。

　　CAN總線中的數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場、幀結(jié)尾。其中數(shù)據(jù)場的長度可以為0，但模塊封裝的幀最多不超過8個字節(jié)。根據(jù)仲裁位的不同可分為標準幀(11 bit標識符)和擴展幀(29bit標識符)。擴展幀格式包括4個ID寄存器IRD0～IRD3，8個數(shù)據(jù)寄存器DSR0和1個數(shù)據(jù)長度寄存器DLR，其中IRD0首位是ID28，IRD3末位是ID0。兩者之間還存有信號標識位SRR、IDE和RTR。

　　4.2.2 CAN通信協(xié)議

　　CAN總線的通信采用主叫輪詢方式。由于CAN的限制，每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)子節(jié)點不宜超過1 000個，這里取10 bit作為源和目的設(shè)備的ID標識。因為ID28只能為1，這里規(guī)定ID27～ID18為幀源ID，而ID17～ID8為幀目的ID。因為通信需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多于8個字節(jié)，這里把DSR0作為傳輸多幀數(shù)據(jù)的總幀數(shù)寄存器，把DSR1作為傳輸多幀數(shù)據(jù)的當前幀數(shù)寄存器，DSR2作為幀功能寄存器， DSR3～DSR6傳輸數(shù)據(jù)，DSR7為校驗寄存器。

　　4.2.3 通信流程

　　整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都是由上位機輪詢通信的，主機先發(fā)送一個請求幀請求建立連接，待收到被叫節(jié)點響應幀后，連接建立并由主機請求數(shù)據(jù)，節(jié)點逐幀發(fā)送，待主機正確接收后再次請求發(fā)送，否則將發(fā)送出錯幀請求重新發(fā)送當前幀，當全部數(shù)據(jù)正確傳輸后，主機發(fā)送斷開連接幀完成通信。這里上位機通過發(fā)送一個修正因子給節(jié)點，修正上傳數(shù)據(jù)的范圍。

　　5 結(jié)束語

　　經(jīng)實踐證明，該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)在實驗室條件下能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信，并達到預期目標。這種應用了安全可靠的CAN總線技術(shù)的檢測網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠有效降低人員現(xiàn)場巡查的難度，其最高1 Mb/s的傳輸速度可在第一時間發(fā)現(xiàn)隱患，排除故障?；谶@些優(yōu)勢，CAN總線使人們振動傳感器檢測設(shè)備必然在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。