基于CAN總線(xiàn)的高精度數字壓力變送器的設計

0引言

壓力傳感器是工業(yè)現場(chǎng)最為常用的一種傳感器，廣泛應用于水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶機床、管道等各種工業(yè)控制環(huán)境?！Ｒ?jiàn)的壓力傳感器包括應變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、壓電壓力傳感器、藍寶石壓力傳感器等。目前，市場(chǎng)上大多數的壓力變送器以模擬量輸出為主，還有少部分是基于H art協(xié)議的智能壓力變送器。而在當今測控領(lǐng)域中，兒乎全部采用數字化處理，用戶(hù)需要先將模擬量轉換成數字量[‘{。因此，在測量壓力時(shí)，最少需要經(jīng)過(guò)1次A/ D轉換，甚至2次A/ D轉換加1次D/ A轉換，而A_模擬信號的傳輸過(guò)程中也會(huì )引入干擾和損失，即使精度再高的模數和數模轉換都會(huì )導致較大的測量誤差。而數字化的壓力變送器可以省去模擬信號的傳輸和不必要的模數和數模轉換。因此，本文將介紹一種數字壓力變送器的設計，該壓力變送器基于CA N總線(xiàn)[2{傳輸，測量精度較高。

1壓力變送器硬件設計

基于CAN總線(xiàn)的高精度數字壓力變送器的原理框圖如圖1所示。該壓力變送器主要包括壓力信號測量與調理部分、數字處理部分、CAN總線(xiàn)傳輸部分。

型不銹鋼壓力芯體，它是采用微機械加工技術(shù)制造而成的硅壓阻式壓力傳感器。傳感器芯片[3{貼裝于TO型基座上，并在膜片和傳感芯片之問(wèn)充有少量的硅油，硅油在膜片與壓阻式傳感器之問(wèn)傳遞壓力，最大輸出信號為100 mV，內部輸入阻抗典型為3 500 }。

壓力傳感器的等效電路如圖2所示。從圖2可看出，壓力傳感器內部可以看成是一個(gè)惠斯通電橋，激勵電源可以選擇恒壓源或恒流源，采用恒流源可以有效克服激勵電源波動(dòng)等干擾造成的測量誤差。
當激勵電流為1 mA時(shí)，壓力傳感器滿(mǎn)量程輸出為100 mV，因此，壓力傳感器的信號還需要放大處理。

ADuC836是美國AD公司新推出的高性能單片機，它將8051內核、2路16位藝一OA/ D ,12位D/ A ,FLASH ,WDT ,IMP監控電路、內部基準電源,SPI和IZ C總線(xiàn)接口等資源集成在一起，構成一個(gè)可編程的、能夠進(jìn)行自校準的高精度模擬數據采集系統，具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，非常適用于各類(lèi)智能儀表、智能傳感器、變送器和便攜式儀器等領(lǐng)域。另外，它還采用閃速/電擦除存儲器，并目_自帶加載器和調試軟件，使系統的設計、編程和調試更為簡(jiǎn)便。

ADuC836有62 I} B的FLASH/EE程序存儲器用來(lái)存儲用戶(hù)代碼，4 I} B的FLASH/EE數據存
儲器，2 304 B的RA M，因此，不需進(jìn)行存儲器擴展。用戶(hù)代碼可以經(jīng)過(guò)UART串行口下載到存儲
器，不需要額外的硬件支持。

綜上所述，通過(guò)1片A Duc836就可以完成壓力信號的模數轉換，壓力數據數字化標定、校準功能及總線(xiàn)輸出。

1.3 CAN總線(xiàn)傳輸部分

本系統采用CAN現場(chǎng)總線(xiàn)代替傳統的RS485總線(xiàn)。CA N總線(xiàn)的連結節點(diǎn)數多達110個(gè)，與
RS485總線(xiàn)最大不同是它具有總線(xiàn)仲裁功能，總線(xiàn)上的任意節點(diǎn)都可以隨時(shí)主動(dòng)發(fā)送信息目_能夠有效避免多下位機同時(shí)上傳時(shí)數據造成的沖突。一般CAN總線(xiàn)使用較短的幀結構，每幀傳輸占總線(xiàn)時(shí)問(wèn)較短，最大傳輸速度可達1 M bit/ s。另外，當CAN總線(xiàn)上的某個(gè)節點(diǎn)出現嚴重錯誤時(shí)，能夠自動(dòng)關(guān)閉輸出，使總線(xiàn)上的其它節點(diǎn)及通信不受影響，從而大大提高了系統的可靠性。

CAN總線(xiàn)是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維，通信距離可達10 km,
性能遠遠優(yōu)于RS485總線(xiàn)。它通常由CAN總線(xiàn)控制器和CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器2個(gè)部分構成。

本文設計的壓力變送器的CAN總線(xiàn)核心器件采用了CSM 1004{芯片。它內部集成完全電氣隔離
的CAN- bus接口電路，采用全灌封工藝，具有很強的抗干擾能力，大大提高了系統在惡劣環(huán)境中使
用的可靠性，其主要功能是實(shí)現了UART一CAN之問(wèn)的透明轉換，用戶(hù)不必深入了解CAN- bu、的
相關(guān)知識，利用該芯片操作CAN- bus就如同操作UART一樣方便。圖4為CSM 100的功能框圖。

從圖4可看出，CSM 100只需串口就可與CPU通信，ADuC836只要正常操作串口就可以完成
CAN總線(xiàn)誦信功能.大大提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)諫度

2壓力變送器系統設計

由于A(yíng)DuC836指令與8051兼容，故可以利用8051單片機的軟件資源開(kāi)發(fā)該壓力變送器的軟件程序;充分利用ADuC836提供的內部校準和系統校準功能，定時(shí)進(jìn)行內部零位和滿(mǎn)量程校準，解決了除傳感器之外的漂移誤差。

該壓力變送器還具有非常方便的在線(xiàn)標定校準功能，如圖5所示，同時(shí)將多只壓力變送器連接
同一個(gè)壓力源，通過(guò)CAN總線(xiàn)與PC機相連，通過(guò)上位機軟件可實(shí)現多只變送器同時(shí)標定校準。

上位機同時(shí)記錄標準壓力值和被校表對應的電壓值，經(jīng)過(guò)溫度補償后，再通過(guò)CA N總線(xiàn)將標定分
別下載到壓力變送器單片機的數據存儲器中，完成標定工作。

3結語(yǔ)

本文設計的基于CAN總線(xiàn)傳輸的數字壓力變送器具有精度高、體積小集成度高、可靠性高、智能化、成本低等特點(diǎn)并具有在線(xiàn)標定校準和溫度補償功能，可用于不同的工業(yè)場(chǎng)合。