葉海生，劉洪淵

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

總線式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

葉海生，劉洪淵

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

為了使振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)布線、直接輸出被測(cè)物理量，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和CAN總線的振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置。文章介紹了總線式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)的實(shí)際意義。根據(jù)工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)掌握了振弦傳感器的工作原理和CAN總線多節(jié)點(diǎn)通信的方法。設(shè)計(jì)了CAN總線節(jié)點(diǎn)收發(fā)硬件電路并給出了總線式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置的程序流程圖。最后給出了設(shè)計(jì)的總線式監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)效果圖?？偩€式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置將振弦式傳感器、單片機(jī)以及CAN總線結(jié)合在一起，提高了測(cè)量頻度、簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)布線。用于具有測(cè)量頻度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)的多種振弦傳感器監(jiān)測(cè)的工業(yè)領(lǐng)域。

CAN總線；振弦傳感器；監(jiān)測(cè)裝置

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，在大壩、橋梁、巖土、隧道、礦山等工程的安全監(jiān)測(cè)中，振弦式傳感器是廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變、滲流、液位、位移等物理量的非電量電測(cè)的傳感器[1]。在工程實(shí)際中，被測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)物理量一般都是能夠確保工程安全施工的重要參數(shù)，通常需對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。目前，對(duì)于此類工程，常用的振弦式傳感器的測(cè)量裝置主要有便攜式儀表和多路式儀表。便攜式儀表雖然易于攜帶，但測(cè)量頻度低且需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅浪費(fèi)人力而且還存在很高的安全隱患。多路式儀表雖然測(cè)點(diǎn)較多，但每個(gè)傳感器需要單獨(dú)引線，使得工程現(xiàn)場(chǎng)布線比較繁雜，除此之外對(duì)通信線的保護(hù)工作也難以開展，應(yīng)用范圍也有很大的局限性。

本文設(shè)計(jì)的總線式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置結(jié)合CAN總線技術(shù)，并以集成了CAN控制器的AT90CAN32單片機(jī)為核心嵌入到傳感器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器的智能化，實(shí)現(xiàn)物理量的直接監(jiān)測(cè)；而CAN總線技術(shù)的應(yīng)用，將原來(lái)的集中式監(jiān)測(cè)改為總線分布式監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)布線，增大了通信距離。對(duì)于克服振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)有問(wèn)題及振弦式傳感器的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 監(jiān)測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)

在工程中，往往存在測(cè)點(diǎn)較多、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，多路采集時(shí)布線龐雜等問(wèn)題，而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置又不直接輸出被測(cè)物理量，降低工作效率。

根據(jù)工程實(shí)際問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)裝置由CAN總線、監(jiān)測(cè)從機(jī)(將單片機(jī)嵌入傳感器)以及監(jiān)測(cè)主機(jī)(監(jiān)測(cè)顯示終端)組成。當(dāng)監(jiān)測(cè)從機(jī)將監(jiān)測(cè)采集到被測(cè)信息后，按照通信協(xié)議制定好的優(yōu)先級(jí)向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)從機(jī)與發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行地址匹配，匹配符合后接收數(shù)據(jù)并加以顯示，從而完成一次監(jiān)測(cè)。

圖1給出了總線式振弦傳感器檢測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 監(jiān)測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)框圖

2 監(jiān)測(cè)裝置的基本理論

2.1 振弦傳感器的工作原理

振弦式傳感器是以拉緊的鋼弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)鋼弦的長(zhǎng)度確定后，激勵(lì)鋼弦后使其振動(dòng)，通過(guò)測(cè)量其固有振動(dòng)頻率的變化量來(lái)得到鋼弦所受張力的大小[2]。鋼弦所受張力與固有振動(dòng)頻率成一定關(guān)系，其關(guān)系公式如下：

式中：l—鋼弦的長(zhǎng)度;T—鋼弦所受張力;ρ—鋼弦單位長(zhǎng)度的質(zhì)量;f0—鋼弦的固有頻率。

振弦式傳感器由支承1、電磁鐵2、鋼弦3、純鐵片4和可動(dòng)部件5等組成。它的敏感部件是內(nèi)部的鋼弦，當(dāng)施加外力時(shí)，鋼弦的應(yīng)力會(huì)增加或減少，鋼弦會(huì)發(fā)生相應(yīng)的拉伸或壓縮，這時(shí)鋼弦初始自振頻率也隨之增加或減少。因此，只要測(cè)得振弦受力穩(wěn)定后的頻率值，即可通過(guò)上述張力—頻率關(guān)系式得到被測(cè)力的值。

2.2 CAN總線多節(jié)點(diǎn)通信方法

本文設(shè)計(jì)的總線式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)AT90CAN32內(nèi)部集成的CAN控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程幀發(fā)送、節(jié)點(diǎn)尋址和遠(yuǎn)程應(yīng)答功能。

遠(yuǎn)程幀即使不含數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀，其作用是接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請(qǐng)求數(shù)據(jù)的幀。

在每一個(gè)嵌入了監(jiān)測(cè)模塊的傳感器標(biāo)定時(shí)通過(guò)CAN初始化設(shè)置唯一的ID地址。而監(jiān)測(cè)終端向總線發(fā)送帶有ID的遠(yuǎn)程幀，當(dāng)某一傳感器的ID地址與此遠(yuǎn)程幀的ID相匹配時(shí)，傳感器將向監(jiān)測(cè)終端回復(fù)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)終端接收到傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，重新發(fā)送其他ID遠(yuǎn)程幀，以請(qǐng)求其他傳感器的數(shù)據(jù)回復(fù)，從而通過(guò)CAN總線建立起監(jiān)測(cè)終端與各傳感器節(jié)點(diǎn)的通信。表1給出了CAN總線幀種類和用途。

表1 幀的種類和用途

3 硬件設(shè)計(jì)

在此監(jiān)測(cè)裝置的硬件電路中主要有AT90CAN32單片機(jī)最小系統(tǒng)、CAN收發(fā)節(jié)點(diǎn)電路、監(jiān)測(cè)模塊的傳感器激振及信號(hào)調(diào)理電路和監(jiān)測(cè)顯示終端的LCD顯示電路。

AT90CAN32是ATMEL公司生產(chǎn)的基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8位單片機(jī)，其內(nèi)部集成了CAN控制器，可以大大簡(jiǎn)化硬件電路。

CAN收發(fā)節(jié)點(diǎn)電路主要是由AT90CAN32單片機(jī)和高速CAN收發(fā)器芯片TJA1050構(gòu)成。TJA1050可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能，是CAN通信必不可少的器件。此外，TJA1050具有極低的電磁輻射特性，無(wú)需外加光耦、CAN收發(fā)器，直接與單片機(jī)I/O口連接，接口簡(jiǎn)單、使用方便，使得硬件電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。

圖2 CAN收發(fā)節(jié)點(diǎn)電路原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

總線式振弦式傳感器監(jiān)測(cè)裝置的功能是通過(guò)硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。此監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)分為監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)顯示終端軟件設(shè)計(jì)兩部分。

4.1 監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)接收終端發(fā)送的遠(yuǎn)程幀、傳感器激振、測(cè)量、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。其程序流程圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)模塊流程圖

4.2 監(jiān)測(cè)顯示終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)顯示終端主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、向監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送遠(yuǎn)程幀的功能。其程序流程圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)顯示終端流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 振弦傳感器波形實(shí)驗(yàn)

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)示波器觀察鋼弦起振、自振以及波形調(diào)理后等不同階段的波形，以確定監(jiān)測(cè)裝置硬件電路設(shè)計(jì)的結(jié)果是否滿足要求。

5.1.1 振弦傳感器的起振波形

從圖5可以看出，波形發(fā)生突變，波形突然上升，說(shuō)明鋼弦激振開始，鋼弦起振，在之后的大約10 ms的時(shí)間里，由于激勵(lì)脈沖剛過(guò)的瞬間，鋼弦還處于不同程度的強(qiáng)迫振動(dòng)階段，此時(shí)的鋼弦振動(dòng)頻率不是振弦傳感器的固有頻率，因此波形不是正弦波，如果此時(shí)開始測(cè)量，會(huì)影響測(cè)量精度。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選擇激振10 ms左右以后再進(jìn)行頻率測(cè)量，測(cè)得數(shù)據(jù)才是振弦傳感器的自振頻率。

5.1.2 振弦傳感器的自振頻率

強(qiáng)迫振動(dòng)結(jié)束后，鋼弦開始自動(dòng)振蕩，由于阻尼作用，波形是一個(gè)隨時(shí)間逐漸衰減的正弦波，其輸出的整體波形如圖6所示。

從圖6可以看出，振弦傳感器的鋼弦起振后，做阻尼振動(dòng)，振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間大約為3 s左右。在這段時(shí)間內(nèi)，利用AT90CAN32單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量，才能測(cè)得最精確的頻率值。

5.1.3 振弦傳感器調(diào)理波形

振弦傳感器的鋼弦起振后，輸出的衰減的正弦波只有幾毫伏。此時(shí)的波形并不能直接被單片機(jī)監(jiān)測(cè)，因此，需要先進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，最終輸出可以被AT90CAN32檢測(cè)的方波。振弦傳感器的自振頻率以方波的頻率呈現(xiàn)。調(diào)理后的波形圖如圖7所示。

通過(guò)對(duì)不同階段的波形觀察發(fā)現(xiàn)，可以看出各階段的波形與其對(duì)應(yīng)階段的理論波形相符，這說(shuō)明振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)較為合理，硬件電路平臺(tái)搭建成功，可以基于該硬件電路進(jìn)行后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)。

5.2 監(jiān)測(cè)裝置的總體實(shí)驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的硬件電路與軟件程序相結(jié)合，形成一套完整的監(jiān)測(cè)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖8給出了總線式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)效果。

圖5 振弦傳感器起振波形

圖6 振弦傳感器自振頻率

圖7 信號(hào)調(diào)理后的波形

圖8 總線式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)效果圖1-振弦傳感器；2-監(jiān)測(cè)從機(jī)；3-監(jiān)測(cè)主機(jī)；4-程序下載器。

將監(jiān)測(cè)從機(jī)2嵌入到傳感器1中形成智能化傳感器，并將監(jiān)測(cè)到的信息傳送到監(jiān)測(cè)主機(jī)并加以顯示，結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的值精度可以達(dá)到0.1～1 Hz，滿足工程要求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了總線式振弦監(jiān)測(cè)裝置。將內(nèi)部集成了CAN控制器的AT90CAN32單片機(jī)作為核心嵌入到了傳感器內(nèi)部，不僅實(shí)現(xiàn)了被測(cè)物理量直接輸出，還簡(jiǎn)化電路，使監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單；另外，應(yīng)用CAN總線技術(shù)，其分時(shí)多主、非破壞性總線仲裁等技術(shù)特點(diǎn)有效提高了通信的可靠性。

綜上所述，本文開發(fā)的總線式振弦傳感器監(jiān)測(cè)裝置具有可靠性高、性價(jià)比優(yōu)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了總線式分布監(jiān)測(cè)，解決了傳統(tǒng)便攜式儀表、多路式儀表存在的一些問(wèn)題。

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Design of Monitoring Device for Bus-type Vibrating Wire Sensor

YE Hai-sheng, LIU Hong-yuan

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In order to make the device of vibrating wire sensor to simplify the wiring in some industry fields, and the physical quantity is output directly. It gives the practical significance of design of monitoring device for bus-type vibrating wire sensor. It designs the overall structure of the monitoring device based on the actual situation of projects. It also gives the working principle of the vibrating wire sensors and the method of CAN bus multi-node communication. It designs the CAN node circuit and Program flow chart of this monitoring device. The experimental results show that the communication distance is up to 8km at the communication rate of 250 kps, and it can have up to 110 nodes. The design method is simple, flexible and has more versatility, it can be applied in a variety of industrial applications where vibrating wire sensors are used.

CAN bus; vibrating-wire sensors; monitoring

2017-04-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015132)

葉海生(1990-)，男，安徽安慶人，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：煤礦安全。E-mail: 1548309700@qq.com

TM932

A

1672-7169(2017)02-0038-06