張 慧，張國軍，薛 南，薛晨陽，劉林仙，葛曉洋

(中北大學(xué)a.電子測試技術(shù)重點實驗室;b.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

在高度發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)中，為滿足工業(yè)控制的需要，現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展趨于數(shù)字化、信息化方向。傳感器的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了測試技術(shù)的發(fā)展，它作為測試系統(tǒng)的最前端，是整個測試系統(tǒng)的靈魂。數(shù)字傳感器具有信號濾波功能，在傳輸過程中抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的穩(wěn)定性和測量精度，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和監(jiān)測功能［1］。因此，它適用于要求高穩(wěn)定性、高精確度的檢測系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計說明

水聲傳感器通過振動輸出模擬信號，經(jīng)微處理器對該信號進(jìn)行誤差修正和濾波處理，使用CAN總線進(jìn)行傳輸，完成采集信號的數(shù)據(jù)分析，將模擬加速度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖傳輸?shù)街锌貦C(jī)或其他CAN節(jié)點進(jìn)行存儲。為了驗證傳輸數(shù)據(jù)的正確性，設(shè)計額外的CAN接收模塊，通過傳輸前后數(shù)據(jù)對比以驗證其正確性，其流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 濾波電路設(shè)計

信號從傳感器輸出后，信號調(diào)理電路對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，即對信號進(jìn)行放大、緩沖，定標(biāo)模擬信號，將信號控制在A/D轉(zhuǎn)換電壓范圍之內(nèi)。信號必須在形式、幅度、信噪比、轉(zhuǎn)換靈敏度和精度等方面達(dá)到中央處理器的要求［2］，才能送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此必須對信號進(jìn)行濾波，濾掉信號中的雜波成分，這樣才能提高傳感器數(shù)字化后的精度［3］。

2.1 高通濾波

本設(shè)計選擇OPA4340作為高通濾波的有源運放，其增益穩(wěn)定、頻率范圍寬。調(diào)節(jié)該電路中反饋元件C、R，使f=f0時電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會產(chǎn)生自激振蕩。具體電路如下圖2所示。

根據(jù)要求設(shè)置各元器件的參數(shù)，使Aup≈1 A，fp=1 kHz。

模擬振動傳感器的信號輸入后，得到的幅頻特性曲線如圖3所示。由圖3可以看到頻率在0～1000 Hz內(nèi)，基本保持0 dB。

2.2 低通濾波

由上式知，截止頻率由引腳CLK的外接電容的大小控制。根據(jù)上述原理，得到低通濾波電路圖(如圖4)及其仿真結(jié)果圖(如圖5)。其fosc=1 kHz。

圖4 低通濾波電路

至此，按要求實現(xiàn)了加速度模擬電壓輸出的基本無放大濾波。

圖5 低通濾波仿真電路的幅頻特性(截圖)

3 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換傳輸

3.1 A/D轉(zhuǎn)換

對模擬傳感器的輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換是設(shè)計數(shù)字傳感器的必要過程。在傳感器數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計過程中，考慮系統(tǒng)緊湊性，選用微處理器集成的A/D轉(zhuǎn)換器。

傳感器信號經(jīng)濾波等預(yù)處理后，以均勻間隔對模擬信號進(jìn)行抽樣并且在每個抽樣運算后在足夠的時間內(nèi)保持樣值恒定，以保證輸出值可以被A/D轉(zhuǎn)換器精確轉(zhuǎn)換［4］。設(shè)置相應(yīng)寄存器，對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖6是A/D轉(zhuǎn)換的程序流程圖。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換流程

將振動傳感器的輸出信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，將所得到數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)誤差處理經(jīng)串口傳送至計算機(jī)，利用MATLAB對處理信號進(jìn)行仿真，得到振動信號電壓輸出。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸接口總體設(shè)計

考慮到應(yīng)用方面，設(shè)計了CAN總線和RS-232串口通信兩種方式。在傳輸過程中，為解決速度不匹配問題，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖［5］。

3.2.1 CAN總線設(shè)計

1)硬件設(shè)計

硬件選用MC9S12XS128單片機(jī)，內(nèi)部集成了CAN控制器，它可以控制從總線上接收或發(fā)送報文。使用CAN總線驅(qū)動芯片TJA1050，它是CAN控制器和物理總線之間的接口，通過其引腳8可選擇高速和待機(jī)模式，還可以為總線提供差動發(fā)送性能［6］。為避免過流沖擊，將CANH和CANL引腳與CAN總線之間均連接一個5 Ω的電阻;為濾除總線上的高頻干擾和降低電磁輻射，將CANH和CANL與地之間各自并聯(lián)1個30 pF的電容。其電路如圖7所示。

圖7 CAN總線驅(qū)動器

如圖8將發(fā)送引腳TX0和接收引腳RX0通過高速光耦TLP113后與收發(fā)器TJA1050相連以增加總線的抗干擾能力［7］。

圖8 高速光耦電路

2)軟件設(shè)計

CAN總線控制器在每次上電或軟件復(fù)位后，必須通過初始化設(shè)置其通信工作參數(shù)，這是關(guān)系到能否成功建立通信的關(guān)鍵問題。初始化程序主要完成對相關(guān)參數(shù)清零，對一些定時器、計數(shù)器等進(jìn)行設(shè)置，然后清除復(fù)位標(biāo)志，就可以實現(xiàn)CAN節(jié)點與總線之間的通信［8］。

CPU與物理總線之間的數(shù)據(jù)傳輸是受CAN控制器中斷協(xié)調(diào)的。當(dāng)接收緩存器滿時，CAN控制器發(fā)出中斷請求，通知CPU將數(shù)據(jù)取走;當(dāng)發(fā)送緩沖器數(shù)據(jù)發(fā)送完，亦出中斷請求，就可以繼續(xù)寫入新的數(shù)據(jù)［9］。流程圖如圖9所示。

3.2.2 RS-232串行通信口設(shè)計

由于MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部集成了異步串行通信接口模塊SCI，同時有完整的串口接口電路。因此，本設(shè)計主要完成串口通信的程序設(shè)計即可，即設(shè)計SCI串口通信程序，主要是掌握8個寄存器，設(shè)置好初始化。

圖9 程序的流程圖

4 測試實物及結(jié)果

本實驗驗證了數(shù)據(jù)化傳感器系統(tǒng)的正確性與可靠性。將接收模塊收到的信號進(jìn)行進(jìn)一步處理，然后與理論數(shù)據(jù)結(jié)果比較，來驗證振動加速度大小與模擬輸出電壓的測量關(guān)系和相應(yīng)的理論關(guān)系的相符性。其實物如圖10所示。

圖10 實驗實物圖

圖11為計算機(jī)接收到的加速度傳感器輸出部分?jǐn)?shù)據(jù)，由圖11知采用處理器芯片波特率為256000 Baud，每毫秒發(fā)送一個數(shù)據(jù)，采用8位精度，通過AN00通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，接收到得加速度信號以16進(jìn)制的方式顯示在串口調(diào)試軟件上。

利用采集數(shù)據(jù)得到加速度大小，與輸出電壓大小做對比，得出測量關(guān)系如圖12所示。

通過圖12結(jié)果可知，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的結(jié)果和實際振動信號是相符的，并且根據(jù)結(jié)果擬出的振動加速度大小和模擬電壓輸出的關(guān)系理論關(guān)系基本一致。

5 結(jié)論

利用微處理器對振動信號進(jìn)行了數(shù)字緩沖處理和誤差修正;增加濾波電路，減小噪聲對信號的影響，提高了傳感器精度;實現(xiàn)了傳感器數(shù)字信號的實時傳輸與監(jiān)控。

［1］劉俊，柳春圖，張常年，等.數(shù)字傳感器及其應(yīng)用［J］.測控技術(shù)，2000，19(5):29-31.

［2］劉文怡，韓志軍.基于IEEEl451標(biāo)準(zhǔn)接口的智能傳感器硬件設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2009，17(3):106-110.

［3］姚丹.一種LVDT精密測長儀的仿真研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［5］ISO 11898，Road vehicles-Interchange of digital information-Controller area network(CAN)for high-speed communication.International Standard Organization［S］.1993.

［6］TJA1050 CAN high-speed transceiver［EB/OL］.［2012-05-05］.http://wenku.baidu.com/view/21d1731959eef8c75fbfb3bd.html.

［7］吳強(qiáng)，吳堅.基于CAN總線的溫度測量節(jié)點設(shè)計［J］.山西電子技術(shù)，2011(3):36-37.

［8］蔡華鋒，廖冬初，潘健，等.C8051F040中CAN控制器的應(yīng)用［J］.單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005(1):55-58.

［9］鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1996.