葛學(xué)瑋

（煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 113122）

基于CAN總線的礦用壓力傳感器的設(shè)計(jì)

葛學(xué)瑋

（煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 遼寧 沈陽(yáng) 113122）

礦用壓力傳感器廣泛應(yīng)用于井下巷道和管道內(nèi)的壓力檢測(cè)，對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的礦用壓力傳感器，采用高精度的電流型壓力傳感器對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過(guò)CAN總線將壓力數(shù)據(jù)傳輸給礦用分站。設(shè)計(jì)中以Cortext M3為內(nèi)核的LPC1752作為控制的核心，采用MEAS 1220作為壓力檢測(cè)的核心元件，完成壓力傳感器的硬件和軟件設(shè)計(jì)，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。

CAN總線；壓力檢測(cè)；MEAS 1220；LPC1752

近年煤礦安全生產(chǎn)越來(lái)越受到重視，減少煤礦事故和減少人員傷亡是煤礦生產(chǎn)的重要方面，提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性已經(jīng)迫在眉睫，礦用壓力傳感器作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，實(shí)時(shí)檢測(cè)井下巷道和管道內(nèi)的壓力[1-2]具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著MEMS微機(jī)電技術(shù)和工藝的的土突飛猛進(jìn)，壓力檢測(cè)元件已具有較高精度和極低的功耗[3-5]，較小的體積和較低成本。美國(guó)精量電子生產(chǎn)的壓力傳感器MEAS 1220采用電流恒流供電方式，能夠檢測(cè)0～100PSI范圍的壓力，滿量程輸出電壓為50 mV，非線性度不超過(guò)0.1%。完全能夠滿足傳感器的設(shè)計(jì)要求。

目前的礦用傳感器中信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸主要采用頻率信號(hào)、485總線和CAN總線，CAN總線與頻率信號(hào)和485總線相比具有更大的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景，CAN控制器工作于多主模式，RS485總線只能工作在主從模式；CAN總線節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能而不影響其他節(jié)點(diǎn)，而RS485節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)總線短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)使總線鎖死；CAN總線節(jié)點(diǎn)可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)，具有較大的靈活性；CAN總線節(jié)點(diǎn)最多可設(shè)計(jì)達(dá)到110個(gè)，相對(duì)于RS485總線具有較大的優(yōu)勢(shì)，文中選用CAN總線傳輸壓力傳感器的壓力信號(hào)。

設(shè)計(jì)中采用LPC1752作為控制的核心處理器，LPC1752是Cortext M3內(nèi)核的處理器，是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的32位微處理器[6-8]，適用于儀器儀表、工業(yè)通訊、電機(jī)控制、燈光控制、報(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域。其操作頻率高達(dá)120 MHz。具有豐富的外設(shè)，4個(gè)32位通用定時(shí)器、一個(gè)8通道12位ADC、5個(gè)UART接口、2路CAN、3個(gè)SSP接口、1個(gè)SPI接口、3個(gè)I2C接口、6路通用PWM輸出、1個(gè)看門狗定時(shí)器以及一個(gè)獨(dú)立供電的超低功耗RTC等，使得LPC1752能夠獨(dú)立完成對(duì)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的采集和處理，滿足礦用壓力傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的基于CAN總線的壓力傳感器電路由核心控制電路、電源電路、壓力測(cè)量電路、聲光報(bào)警電路、紅外遙控接收電路和CAN總線數(shù)據(jù)傳輸電路構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 硬件電路各模塊的設(shè)計(jì)

1）控制核心模塊設(shè)計(jì)

傳感器的控制核心模塊以LPC1752芯片作為控制的核心，核心模塊主要由LPC1752的時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和JTAG調(diào)試接口電路等構(gòu)成。LPC1752具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，較高的處理速度，工作穩(wěn)定，外設(shè)豐富等優(yōu)，對(duì)壓力的采集和數(shù)據(jù)傳輸具有較高的實(shí)時(shí)性，完全能夠滿足壓力傳感器的設(shè)計(jì)要求?？刂坪诵哪K電路如圖2所示。

2）電源模塊電路的設(shè)計(jì)

電源模塊的芯片采用開關(guān)型電源芯片L4978，L4978的輸入電壓范圍寬，最高輸入電壓達(dá)55 V，具有較小的壓降，能夠提供高達(dá)2 A的輸出電流，輸出電壓范圍從3.3 V到50 V，并且L4978具有較高的轉(zhuǎn)換效率，電路簡(jiǎn)單，芯片采用8腳直插的封裝并且無(wú)需散熱片，較好的節(jié)省了電路板的空間。電源電路如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 控制核心原理圖

圖3 電源原理框圖

3）壓力測(cè)量模塊電路

壓力測(cè)量傳感器采用美國(guó)精量電子的MEAS 1220作為檢測(cè)的氣敏元件，MEAS 1220檢測(cè)精度高、線性度好，具有較寬的溫度范圍和較小的體積，采用恒流的方式供電，具有較好的穩(wěn)定性。MEAS 1220的輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路調(diào)理后送給MCU的AD模塊進(jìn)行采集。MEAS 1220的輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)INA121放大后傳入單片機(jī)的AD采集模塊。INA121為儀表專用放大器，只需要一個(gè)放大倍數(shù)調(diào)整電阻即可完成放大電路的設(shè)計(jì)，INA121具有較寬的電壓輸入范圍和極小的偏移電壓，特別適合在信號(hào)放大電路中使用。壓力測(cè)量模塊電路如圖4所示。

4）聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。

當(dāng)檢測(cè)壓力超出規(guī)定的壓力值時(shí)，引腳BFCT和CON電壓為高電平，三極管P2和P3導(dǎo)通，壓力傳感器進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過(guò)CAN總線將壓力數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳至礦用分站。聲音報(bào)警通控制蜂鳴器開關(guān)進(jìn)行報(bào)警，蜂鳴器鳴響的聲音分貝值不小于80DB；光報(bào)警燈采用高亮度的紅色LED燈，報(bào)警時(shí)LED燈閃爍，20米外清晰可見。聲光報(bào)警電路模塊如圖5所示。

圖4 壓力檢測(cè)模塊

圖5 聲光報(bào)警電路模塊

5）CAN總線模塊電路的設(shè)計(jì)

CAN總線模塊電路主要有CAN總線收發(fā)器和信號(hào)隔離電路及瞬態(tài)抑制電路構(gòu)成。CAN總線收發(fā)器采用PCA821251，PCA82C251是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口芯片，具有高達(dá)1 Mbaud的通信速率，支持最少110個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，總線中的節(jié)點(diǎn)在掉電或者損壞時(shí)不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常通信。

LPC1752的CAN總線控制器通過(guò)CANTD和CANRD引腳對(duì)CAN總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，為防止總線上的電壓波動(dòng)和高壓沖擊，本設(shè)計(jì)中采用隔離芯片6N137將MCU和CAN總線隔離，6N137的隔離電壓可以高達(dá)2500 VAC，通信速率達(dá)10 MBd，完全可以達(dá)到保護(hù)MCU的性能要求和通信要求。PCA82C251的輸出端通過(guò)兩個(gè)可恢復(fù)保險(xiǎn)絲接入CAN總線，當(dāng)總線通過(guò)的電流過(guò)大時(shí)保險(xiǎn)絲處于高阻狀態(tài)，對(duì)PCA82C251進(jìn)行保護(hù)。

TVS管D1和D2反向接入CANH和CANL總線之間，當(dāng)CAN總線間的電壓出現(xiàn)瞬間沖擊時(shí)，TVS管被擊穿短路，從而對(duì)CAN總線收發(fā)器進(jìn)行保護(hù)，提高了總線模塊電路的可靠性和穩(wěn)定性。CAN總線的一端并接一只120歐的匹配電阻，用于提高總線的通信距離和穩(wěn)定性。通信模塊電路如圖6所示。

圖6CAN總線傳輸模塊

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

基于CAN總線的壓力傳感器的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化配置程序、壓力數(shù)據(jù)采集和CAN總線數(shù)據(jù)傳輸程序。初始化配置程序主要由LPC1752初始化配置程序和CAN總線初始化配置程序等構(gòu)成。

LPC1752通過(guò)A/D模塊實(shí)時(shí)采集壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)壓力數(shù)值值超過(guò)設(shè)定的報(bào)警極限時(shí)，控制器打開聲光報(bào)警功能，并通過(guò)CAN總線將壓力值傳送至礦用分站；當(dāng)LPC1752接收到從CAN總線傳回的讀取數(shù)據(jù)指令時(shí)，LPC1752將檢測(cè)到的壓力數(shù)據(jù)值發(fā)送到CAN總線。CAN總線的配置主要完成CAN總線收發(fā)數(shù)據(jù)的波特率、標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等。軟件總體流程圖如圖7所示。

The design of mine pressure sensor based on CAN bus

GE Xue-wei
（Shenyang Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group，Shenyang 113122，China）

Mine pressure sensor is widely used in underground tunnels and the pressure detection in the pipeline，the pressure of real-time and accurate detection of coal mine safety production is of great significance.A pressure sensor based on CAN bus is designed in this paper，the high precision of the current type pressure sensor is adopts for real-time detection of pressure，and the pressure data to mine substation vias the CAN bus.The LPC1752 based on the Cortext M3 core controls the sensor and using MEAS 1220 as the core component of pressure detection，the hardware and software design of the pressure sensor has high reliability and accuracy.

CAN bus；pressure detection；MEAS 1220；LPC1752

TN914.3

A

1674－6236（2016）18-0072-03

2015-10-14 稿件編號(hào)：201510081

葛學(xué)瑋（1981—），男，黑龍江雞西人，工程師。研究方向：煤礦安全類產(chǎn)品的硬件研發(fā)。