基于CAN總線的高精度數(shù)字壓力變送器的設計

0引言

壓力傳感器是工業(yè)現(xiàn)場最為常用的一種傳感器，廣泛應用于水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶機床、管道等各種工業(yè)控制環(huán)境。‘常見的壓力傳感器包括應變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、壓電壓力傳感器、藍寶石壓力傳感器等。目前，市場上大多數(shù)的壓力變送器以模擬量輸出為主，還有少部分是基于H art協(xié)議的智能壓力變送器。而在當今測控領域中，兒乎全部采用數(shù)字化處理，用戶需要先將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量[‘{。因此，在測量壓力時，最少需要經(jīng)過1次A/ D轉(zhuǎn)換，甚至2次A/ D轉(zhuǎn)換加1次D/ A轉(zhuǎn)換，而A_模擬信號的傳輸過程中也會引入干擾和損失，即使精度再高的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換都會導致較大的測量誤差。而數(shù)字化的壓力變送器可以省去模擬信號的傳輸和不必要的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換。因此，本文將介紹一種數(shù)字壓力變送器的設計，該壓力變送器基于CA N總線[2{傳輸，測量精度較高。

1壓力變送器硬件設計

基于CAN總線的高精度數(shù)字壓力變送器的原理框圖如圖1所示。該壓力變送器主要包括壓力信號測量與調(diào)理部分、數(shù)字處理部分、CAN總線傳輸部分。

型不銹鋼壓力芯體，它是采用微機械加工技術(shù)制造而成的硅壓阻式壓力傳感器。傳感器芯片[3{貼裝于TO型基座上，并在膜片和傳感芯片之問充有少量的硅油，硅油在膜片與壓阻式傳感器之問傳遞壓力，最大輸出信號為100 mV，內(nèi)部輸入阻抗典型為3 500 }。

壓力傳感器的等效電路如圖2所示。從圖2可看出，壓力傳感器內(nèi)部可以看成是一個惠斯通電橋，激勵電源可以選擇恒壓源或恒流源，采用恒流源可以有效克服激勵電源波動等干擾造成的測量誤差。
當激勵電流為1 mA時，壓力傳感器滿量程輸出為100 mV，因此，壓力傳感器的信號還需要放大處理。

ADuC836是美國AD公司新推出的高性能單片機，它將8051內(nèi)核、2路16位藝一OA/ D ,12位D/ A ,FLASH ,WDT ,IMP監(jiān)控電路、內(nèi)部基準電源,SPI和IZ C總線接口等資源集成在一起，構(gòu)成一個可編程的、能夠進行自校準的高精度模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有體積小、功耗低等特點，非常適用于各類智能儀表、智能傳感器、變送器和便攜式儀器等領域。另外，它還采用閃速/電擦除存儲器，并目_自帶加載器和調(diào)試軟件，使系統(tǒng)的設計、編程和調(diào)試更為簡便。

ADuC836有62 I} B的FLASH/EE程序存儲器用來存儲用戶代碼，4 I} B的FLASH/EE數(shù)據(jù)存
儲器，2 304 B的RA M，因此，不需進行存儲器擴展。用戶代碼可以經(jīng)過UART串行口下載到存儲
器，不需要額外的硬件支持。

綜上所述，通過1片A Duc836就可以完成壓力信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，壓力數(shù)據(jù)數(shù)字化標定、校準功能及總線輸出。

1.3 CAN總線傳輸部分

本系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場總線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RS485總線。CA N總線的連結(jié)節(jié)點數(shù)多達110個，與
RS485總線最大不同是它具有總線仲裁功能，總線上的任意節(jié)點都可以隨時主動發(fā)送信息目_能夠有效避免多下位機同時上傳時數(shù)據(jù)造成的沖突。一般CAN總線使用較短的幀結(jié)構(gòu)，每幀傳輸占總線時問較短，最大傳輸速度可達1 M bit/ s。另外，當CAN總線上的某個節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時，能夠自動關(guān)閉輸出，使總線上的其它節(jié)點及通信不受影響，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

CAN總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信距離可達10 km,
性能遠遠優(yōu)于RS485總線。它通常由CAN總線控制器和CAN總線驅(qū)動器2個部分構(gòu)成。

本文設計的壓力變送器的CAN總線核心器件采用了CSM 1004{芯片。它內(nèi)部集成完全電氣隔離
的CAN- bus接口電路，采用全灌封工藝，具有很強的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使
用的可靠性，其主要功能是實現(xiàn)了UART一CAN之問的透明轉(zhuǎn)換，用戶不必深入了解CAN- bu、的
相關(guān)知識，利用該芯片操作CAN- bus就如同操作UART一樣方便。圖4為CSM 100的功能框圖。

從圖4可看出，CSM 100只需串口就可與CPU通信，ADuC836只要正常操作串口就可以完成
CAN總線誦信功能.大大提高了產(chǎn)品開發(fā)諫度

2壓力變送器系統(tǒng)設計

由于ADuC836指令與8051兼容，故可以利用8051單片機的軟件資源開發(fā)該壓力變送器的軟件程序;充分利用ADuC836提供的內(nèi)部校準和系統(tǒng)校準功能，定時進行內(nèi)部零位和滿量程校準，解決了除傳感器之外的漂移誤差。

該壓力變送器還具有非常方便的在線標定校準功能，如圖5所示，同時將多只壓力變送器連接
同一個壓力源，通過CAN總線與PC機相連，通過上位機軟件可實現(xiàn)多只變送器同時標定校準。

上位機同時記錄標準壓力值和被校表對應的電壓值，經(jīng)過溫度補償后，再通過CA N總線將標定分
別下載到壓力變送器單片機的數(shù)據(jù)存儲器中，完成標定工作。

3結(jié)語

本文設計的基于CAN總線傳輸?shù)臄?shù)字壓力變送器具有精度高、體積小集成度高、可靠性高、智能化、成本低等特點并具有在線標定校準和溫度補償功能，可用于不同的工業(yè)場合。