楊芬,吳伯農(nóng),吳海軍

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100144)

楊芬(碩士研究生),主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄軆x器與測(cè)控技術(shù)。

引 言

測(cè)控系統(tǒng)離不開(kāi)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(cè)量范圍不同,相同電信號(hào)代表的物理量也不盡相同。因此,傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng),必須對(duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)傳感器進(jìn)行配置,傳感器類型、靈敏度、測(cè)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(cè)控系統(tǒng)的規(guī)模,則需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)(軟件、硬件及布線)。進(jìn)行重新配置。這無(wú)疑極大地限制了測(cè)控系統(tǒng)的靈活性,制約了測(cè)控系統(tǒng)的擴(kuò)展性。CAN的通信硬件接口簡(jiǎn)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(cè)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(gè)智能節(jié)點(diǎn),即易于實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用,也提高了測(cè)控系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)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(diǎn):一是控制傳感器的信號(hào)調(diào)理,將傳感器的輸出模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并進(jìn)行相應(yīng)的處理,形成可發(fā)送的CAN報(bào)文信息;二是控制CAN驅(qū)動(dòng)器,收/發(fā)CAN總線上的報(bào)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(duì)大多數(shù)模擬傳感器輸出信號(hào)較弱的特點(diǎn),接口首先對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大和濾波的預(yù)處理,預(yù)處理后的傳感器信號(hào)幅度在200 mV左右,單端輸出。此后對(duì)該信號(hào)的處理完全由基于SOC技術(shù)的混合信號(hào)微處理器C8051F041[4]自動(dòng)完成,如信號(hào)的程控放大、信號(hào)的零點(diǎn)校準(zhǔn)、信號(hào)的A/D變換、信號(hào)的數(shù)字濾波以及CAN報(bào)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(hào)到CAN報(bào)文的轉(zhuǎn)換;更通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)調(diào)理的智能控制和對(duì)CAN應(yīng)用層的編程,實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用。

2 傳感器信號(hào)調(diào)理

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

圖2 傳感器信號(hào)調(diào)理電路

2.1 傳感器信號(hào)的濾波處理

考慮到日益惡劣的電磁干擾環(huán)境,對(duì)傳感器信號(hào)的濾波分兩級(jí)實(shí)現(xiàn):終級(jí)為利用SoC中的高速M(fèi)CU對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波(不在此討論);初級(jí)則是由信號(hào)預(yù)處理電路中R1、R2、C1、C2、C3,組成抗射頻干擾濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖2所示。當(dāng)不考慮 C3時(shí),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(shí)間常數(shù)t1=R1?C1;t2=R2?C2。由于無(wú)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(jì)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(hào),進(jìn)入AD623進(jìn)行放大時(shí)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(hào)頻率較低時(shí),由于△t相對(duì)干擾信號(hào)的周期較小,造成的兩輸入端之間的幅值差,相對(duì)共模部分很小,利用AD623的共模抑制能力,能對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)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(hào)頻率較高時(shí),則△t相對(duì)干擾信號(hào)的周期較大,極端情況如兩路信號(hào)相位差180°時(shí),則同頻、同相位、同幅值的共模干擾信號(hào),進(jìn)入AD623時(shí)被合成為兩倍幅值的同頻差分信號(hào),該差分信號(hào)不僅不能被抑制,還被放大器放大,即被混疊到有效信號(hào)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(shí),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(hào),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(hào)。

2.2 傳感器信號(hào)的放大

對(duì)傳感器信號(hào)采用兩級(jí)放大。第一級(jí)用信號(hào)預(yù)處理電路中的儀用放大器AD623,進(jìn)行固定增益的信號(hào)放大,增益G=100 kΩ/R3+1[8]。可根據(jù)傳感器信號(hào)大小,選擇增益(通過(guò)選取R3阻值獲得),使通過(guò)一級(jí)放大后的傳感器額定輸出信號(hào)達(dá)到200 mV左右。第二級(jí)放大,用SOC中的程控放大器(PGA)實(shí)現(xiàn);其可編程增益為0.5、1、2、4、8、16。理論上使一級(jí)放大后的傳感器額定輸出信號(hào)Vg1×16(二級(jí)放大最大增益)近似等于ADC的參考電壓(實(shí)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(hào)零點(diǎn)的補(bǔ)償與校準(zhǔn)

2.3.1 根據(jù)傳感器特性的補(bǔ)償[9]

傳感器在工況條件發(fā)生變化時(shí),輸出信號(hào)會(huì)有相應(yīng)的變化,該輸出信號(hào)的變化與被測(cè)物理量無(wú)關(guān),即為漂移信號(hào)。當(dāng)傳感器給出相應(yīng)的特性值時(shí),應(yīng)設(shè)計(jì)檢測(cè)該工況條件的傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的工況條件,利用MCU求得補(bǔ)償量,進(jìn)行補(bǔ)償。導(dǎo)致傳感器零點(diǎn)漂移最常見(jiàn)的特性之一,是溫度特性,為補(bǔ)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(cè)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(bǔ)償量VTB為:

其中YFS為傳感器的額定輸出。將該補(bǔ)償量疊加到傳感器信號(hào)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(bǔ)償[9]

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

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

其中Vc為傳感器輸出的差分電壓信號(hào),b1為一級(jí)放大器增益。

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

代入(4)式,則進(jìn)入二級(jí)放大器的有效信號(hào):

從(6)式中的第2項(xiàng)可見(jiàn),含有溫度漂移的傳感器輸出信號(hào)Vc被修正,溫漂被補(bǔ)償,零點(diǎn)被校準(zhǔn)。

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

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

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

3 信號(hào)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(jiàn)圖2)。該ADC的工作方式與啟動(dòng)方式,將在傳感器接入系統(tǒng)后,由主機(jī)確定。

定標(biāo)系數(shù)可通過(guò)標(biāo)定傳感器獲得,即將加載到傳感器上的已知被測(cè)物理量A,除以此時(shí)采集到的數(shù)字量N,即定標(biāo)系數(shù)為A/N;也可通過(guò)傳感器的靈敏度、放大器的增益、ADC的分辨率及參考電壓計(jì)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(duì)應(yīng)的物理量綱,則在傳感器接入CAN總線時(shí),通過(guò)向系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送的電子數(shù)據(jù)表單(Transducer Electronic Data sheet,TEDs),告知系統(tǒng)主機(jī);從而系統(tǒng)主機(jī)收到某傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)字量,就是具有特定物理量綱的被測(cè)物理量實(shí)際數(shù)值。這樣做,第一可減少主機(jī)的運(yùn)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(wú)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(hào)幅度選擇適當(dāng)?shù)脑鲆?提高小信號(hào)的分辨率,此時(shí)接口只需自行改變相應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)即可,無(wú)需與主機(jī)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(dòng)器,實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)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(gè)CAN控制器核、消息 RAM(獨(dú)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(dòng),為此,外接了一個(gè)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(bào)文收發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用,需對(duì)收發(fā)的CAN報(bào)文內(nèi)容與格式進(jìn)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(cè)控系統(tǒng)的即插即用。

4.1 發(fā)送報(bào)文的協(xié)議

由圖3可見(jiàn),該SoC內(nèi)嵌的消息RAM可保存32個(gè)消息對(duì)象[14]。協(xié)議將其中的3個(gè)消息對(duì)象配置為下面介紹的發(fā)送消息對(duì)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(shí),須首先向主機(jī)申請(qǐng)加入——申請(qǐng)從機(jī)ID標(biāo)識(shí)。申請(qǐng)辦法是:傳感器一接入系統(tǒng),立即發(fā)送其第1條消息對(duì)象,發(fā)送的報(bào)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(qǐng)ID”。約定:系統(tǒng)中僅主機(jī)對(duì)申請(qǐng)ID作出反應(yīng),即通過(guò)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(hào)、物理量綱及數(shù)據(jù)特征。主機(jī)比較/記錄該數(shù)據(jù)項(xiàng),并根據(jù)其TEDs中類型、特性項(xiàng),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(zhǎng)度等,并分配給其相應(yīng)的從機(jī)“標(biāo)識(shí)ID”和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的“啟動(dòng)ID”。傳感器 TEDs中的編號(hào)項(xiàng),用于區(qū)分系統(tǒng)中類型、特性相同的傳感器;物理量綱項(xiàng),用于告知主機(jī)該傳感器所傳數(shù)據(jù)的實(shí)際物理單位,也表征了該被測(cè)物理量數(shù)值的實(shí)際大小;數(shù)據(jù)特征項(xiàng),用于表征所傳16位數(shù)據(jù)的特征(BCD碼、二進(jìn)制整數(shù)、二進(jìn)制小數(shù)、小數(shù)點(diǎn)位置等)。

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

4.1.2發(fā)送配置/管理申請(qǐng)

傳感器可獲得主機(jī)分配的2個(gè)從機(jī)標(biāo)識(shí)ID,分別為“標(biāo)識(shí)1ID”和“標(biāo)識(shí)0ID”。用標(biāo)識(shí)1ID配置第2條發(fā)送消息對(duì)象,該消息對(duì)象將成為與主機(jī)交互的發(fā)送接口,用于向主機(jī)申請(qǐng)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(shí),仍需用第1條發(fā)送消息對(duì)象向主機(jī)申請(qǐng)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(gè)節(jié)點(diǎn)左右,即使BasicCAN也有11位的ID標(biāo)識(shí),所能標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)超當(dāng)前所能使用的節(jié)點(diǎn)數(shù),只是11位ID的最低3位不參與報(bào)文濾波。為此,規(guī)定:主機(jī)分配給節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)從機(jī)標(biāo)識(shí)ID,其前10位相同,最低位為1即標(biāo)識(shí)1 ID,用于配置第2條發(fā)送消息對(duì)象,該消息對(duì)象為與主機(jī)進(jìn)行常規(guī)交互的發(fā)送接口,如上所述;最低位為0即從機(jī)標(biāo)識(shí)0 ID,用于配置第3條發(fā)送消息對(duì)象,該消息對(duì)象用于上傳節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4.2 接收?qǐng)?bào)文的協(xié)議

協(xié)議要求配置3個(gè)接收消息對(duì)象,作用分別為:

①濾波接收用本節(jié)點(diǎn)“申請(qǐng)ID”發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀。傳感器接入系統(tǒng)后,首先用申請(qǐng)ID發(fā)送傳感器電子數(shù)據(jù)表單,主機(jī)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(shí)ID、啟動(dòng)ADC的啟動(dòng)ID及對(duì)該節(jié)點(diǎn)的基本配置要求。CAN控制器配置的第1條接收消息對(duì)象,即用來(lái)濾波接收該數(shù)據(jù)幀。

②濾波接收用本節(jié)點(diǎn)“標(biāo)識(shí)ID”發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)需要對(duì)傳感器進(jìn)一步進(jìn)行配置管理時(shí),用第2條發(fā)送消息對(duì)象,向主機(jī)發(fā)送配置/管理申請(qǐng),主機(jī)將使用相同的ID(該從機(jī)的標(biāo)識(shí)ID),回復(fù)對(duì)其的配置/管理指令(位于該報(bào)文數(shù)據(jù)域)。為此,需配置第2條接收消息對(duì)象,濾波接收用本從機(jī)標(biāo)識(shí)ID發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。

③濾波接收用本節(jié)點(diǎn)“啟動(dòng)ID”發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀。用啟動(dòng)ID配置第3條接收消息對(duì)象,即該消息對(duì)象能實(shí)現(xiàn)對(duì)該“啟動(dòng)ID”的濾波。

結(jié) 語(yǔ)

基于SOC技術(shù)的C8051F041的使用,極大地簡(jiǎn)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(hào)調(diào)理、零點(diǎn)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(gè)智能節(jié)點(diǎn),從而可充分利用CAN總線的各種技術(shù)優(yōu)勢(shì)。再通過(guò)設(shè)計(jì)一套比較完備的應(yīng)用層協(xié)議,最終實(shí)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(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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