基于MC9S08DZ60的CAN總線(xiàn)振動(dòng)傳感器設計

　　1 引言

　　隨著(zhù)人們安全意識的不斷提高設備的安全監測顯得越發(fā)重要。各種在線(xiàn)監測設備層出不窮，但大多都受到傳統總線(xiàn)速率較低，傳輸精度不高的限制。CAN總線(xiàn)以其在汽車(chē)行業(yè)內實(shí)時(shí)、可靠、靈活的應用而備受矚目，進(jìn)而不斷有其他領(lǐng)域的CAN總線(xiàn)應用產(chǎn)品出現，基于CAN 總線(xiàn)的振動(dòng)傳感器正是其中一種，組網(wǎng)后的傳感器能夠很好地實(shí)現大型裝置的在線(xiàn)監測，為企業(yè)的安全生產(chǎn)奠定了基礎。

　　2 器件簡(jiǎn)介

　　2.1 MC9S08DZ60單片機

　　飛思卡爾公司的MC9S08DZ系列單機片內嵌 CAN的微控制器，并將內嵌的CAN、EPROM和片上仿真/調試模塊組合在一起，集成了所有的功能，設計人員可以便捷地轉向其設計流程。 MC9S08DZ60型單機片可提供60 KB的片上flash、4 KB的片上RAM、2 KB的E2PROM。它具有串行通信接口(SCI)、串行外設接口(SPI)、看門(mén)狗定時(shí)器(COP Watch-dog)、多達24通道的12 bit的A/D轉換模塊，另外還有I2C總線(xiàn)模塊和多個(gè)定時(shí)器、計數器等。其獨特的片上仿真/調試模塊(BDG)更是大大簡(jiǎn)化設計，從而確保了 MC9S08DZ60在汽車(chē)和工控的應用地位。

　　2.2 AD536A有效值轉換器

　　AD536A是一款有效值轉換器。它可以連續、實(shí)時(shí)地計算輸入信號的平方、平均值。且得到的直流電壓值正比于輸入信號的有效值RMS。AD536A具有相當大的響應帶寬，在輸入有效值大于100 mV時(shí).帶寬為450 kHz，而輸入大于1 V時(shí)，帶寬增大到2 MHz。1.2 mA的靜態(tài)工作電流和寬泛的工作溫度使其應用廣泛。

　　AD536A計算RMS時(shí)，首先求得絕對值(整流電路);然后進(jìn)行平方計算：最后是平均計算，即除以反饋的輸出電壓;再經(jīng)濾波得出結果。這里要求平均的時(shí)間常數要遠大于待測信號的周期，這樣才能保證測試精度。

　　2.3 TJA1040 CAN收發(fā)器

　　TJA1040是一款高速CAN收發(fā)器，與PCA82C250/251引腳相兼容，TJA1040還提供不上電環(huán)境下理想的無(wú)源特性。TJA1040和 PCA82C250/251相比較，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：(1)如果不上電，總線(xiàn)上完全無(wú)源;如果VCC關(guān)閉，總線(xiàn)上看不到。(2)在待機模式時(shí)電流消耗極低，最大電流僅為15μA。(3)改良的電磁輻射EME性能。(4)改良的電磁抗干擾EMI性能。(5)SPLIT引腳代替Vref。引腳對總線(xiàn)的DC穩壓很有效。

　　TJA1040向下兼容PCA82C250/251，并且可在已有PCA82C250/251的應用中使用，而硬件和軟件無(wú)需任何修改。

　　3 系統硬件結構

　　整個(gè)傳感器包括采集、濾波放大、A/D轉換、數據處理上傳等模塊，如圖1所示。采集模塊使用環(huán)形剪切的傳感器，將裝置的振動(dòng)量轉變?yōu)轫憫奈⑿‰妷汉笏腿藶V波放大電路。信號經(jīng)放大濾波電路分成：高頻加速度、低頻加速度、速度、位移4個(gè)測量參數再傳輸到有效值轉換。這些信號經(jīng)有效值轉換和單片機A/D轉換模塊后存入單片機，再經(jīng)由CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上傳至主控機備份。

　　3.1 濾波放大模塊

　　圖2為濾波放大模塊組成框圖，南于壓電陶瓷轉變后的電信號含有噪聲，前端的電壓跟隨主要是去噪放大。系統將對1O Hz～1 kHz內的信號進(jìn)行分析，其中包括10 Hz兩級高通加速度、10 Hz～1 kHz低頻加速度，10 Hz～1 kHz低頻速度、10 Hz～1 kHz低頻位移。它們經(jīng)單片機控制的多路開(kāi)關(guān)傳輸至有效值轉換器。這里積分器并沒(méi)有采用典型積分方式，而是采用一種近似的方法，如圖3所示。這種方式能夠有效減少噪聲，保證純凈信號。

　　4 系統軟件設計

　　系統軟件設計主要包括數據采集存儲和CAN通信兩大模塊。上電初始化后，單片機開(kāi)始采集A/D轉換信號，按照高頻加速度、低頻加速度、速度、位移的次序采集信號，并存儲到片上存儲單元。而與主機的CAN通信將以中斷形式完成。圖5為系統整體流程。

　　4.1 采集存儲程序設計

　　由有效值轉換器輸出的數據將接人片上A/D轉換模塊，MC9S08DZ60單片機提供 24路12 bit的A/D轉換模塊。上電后對該模塊初始化操作，典型的初始化方式：(1)更新配置寄存器ADDCFG用以選擇A/D轉換器的時(shí)鐘源和設定內部時(shí)鐘頻率ADCK。該寄存器還可設置采樣時(shí)間等參數。(2)更新?tīng)顟B(tài)控制寄存器ADCSC2，該寄存器可設定轉換的觸發(fā)方式，如果作為比較器使用時(shí)還可設定比較方式。(3)更新?tīng)顟B(tài)控制寄存器ADCSC1，該寄存器可用來(lái)設定轉換方式，即持續轉換和單次轉換。該寄存器還可設定轉換通道以及轉換完成后是否觸發(fā)中斷。轉換后的數據存入結果寄存器ADCRL和ADCRH供系統調用。

　　系統上電初始化后，系統主程序按照高頻加速度、低頻加速度、速度、位移的順序依次設定模擬開(kāi)關(guān)，為防止因剛剛選定通道后信號不穩定而造成測量失真，因此需加入一段延時(shí)程序。延時(shí)過(guò)后，片上A/D轉換器模塊采集原始和10倍信號，與門(mén)限對比后，存入存儲單元。為保證數據的有效性，采用采集多組數據后平均方式。在存儲之前，處理后的數據會(huì )與單片機內部警告門(mén)限(可設定)相比對，如果超出預警門(mén)限，則再次測量此信號，若連續3次超出門(mén)限，將觸發(fā)預警中斷，向上位機發(fā)出預警。

　　4.2 CAN通信模塊

　　4.2.1 CAN模塊簡(jiǎn)介

　　MC9S08DZ60內部集成了應用CAN 2.0A/B協(xié)議的CAN控制器，包含5個(gè)先進(jìn)先出的接收寄存器，3個(gè)使用本地優(yōu)先級的發(fā)送寄存器。在ID識別方面提供了64 bit的掩碼寄存器，可分用為2個(gè)32 bit的滿(mǎn)值寄存器，或4個(gè)16 bit、8個(gè)8 bit的寄存器，這使總線(xiàn)上的消息尋址更加靈活方便。為滿(mǎn)足低功耗需求，該模塊提供睡眠、掉電和MSCAN使能3種模式。

　　CAN總線(xiàn)中的數據幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應答場(chǎng)、幀結尾。其中數據場(chǎng)的長(cháng)度可以為0，但模塊封裝的幀最多不超過(guò)8個(gè)字節。根據仲裁位的不同可分為標準幀(11 bit標識符)和擴展幀(29bit標識符)。擴展幀格式包括4個(gè)ID寄存器IRD0～IRD3，8個(gè)數據寄存器DSR0和1個(gè)數據長(cháng)度寄存器DLR，其中IRD0首位是ID28，IRD3末位是ID0。兩者之間還存有信號標識位SRR、IDE和RTR。

　　4.2.2 CAN通信協(xié)議

　　CAN總線(xiàn)的通信采用主叫輪詢(xún)方式。由于CAN的限制，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )內子節點(diǎn)不宜超過(guò)1 000個(gè)，這里取10 bit作為源和目的設備的ID標識。因為ID28只能為1，這里規定ID27～ID18為幀源ID，而ID17～ID8為幀目的ID。因為通信需要傳輸的數據多于8個(gè)字節，這里把DSR0作為傳輸多幀數據的總幀數寄存器，把DSR1作為傳輸多幀數據的當前幀數寄存器，DSR2作為幀功能寄存器， DSR3～DSR6傳輸數據，DSR7為校驗寄存器。

　　4.2.3 通信流程

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統都是由上位機輪詢(xún)通信的，主機先發(fā)送一個(gè)請求幀請求建立連接，待收到被叫節點(diǎn)響應幀后，連接建立并由主機請求數據，節點(diǎn)逐幀發(fā)送，待主機正確接收后再次請求發(fā)送，否則將發(fā)送出錯幀請求重新發(fā)送當前幀，當全部數據正確傳輸后，主機發(fā)送斷開(kāi)連接幀完成通信。這里上位機通過(guò)發(fā)送一個(gè)修正因子給節點(diǎn)，修正上傳數據的范圍。

　　5 結束語(yǔ)

　　經(jīng)實(shí)踐證明，該設備網(wǎng)絡(luò )在實(shí)驗室條件下能夠實(shí)現數據采集和網(wǎng)絡(luò )通信，并達到預期目標。這種應用了安全可靠的CAN總線(xiàn)技術(shù)的檢測網(wǎng)絡(luò )，不僅能夠有效降低人員現場(chǎng)巡查的難度，其最高1 Mb/s的傳輸速度可在第一時(shí)間發(fā)現隱患，排除故障?；谶@些優(yōu)勢，CAN總線(xiàn)使人們振動(dòng)傳感器檢測設備必然在自動(dòng)化領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。