本文摘要：摘要：現(xiàn)今傾角傳感器在工業(yè)自動化，工程機械，醫(yī)療設備等許多領域中得到廣泛應用，但其大部分產(chǎn)品僅僅是獨立的電氣控制單元，無法與CAN網(wǎng)絡接軌。該文應用MEMS加速度傳感器和CAN總線為研究對象，選取C8051F040單片機作為主控制器，對系統(tǒng)中的加速度傳感器芯
摘要：現(xiàn)今傾角傳感器在工業(yè)自動化，工程機械，醫(yī)療設備等許多領域中得到廣泛應用，但其大部分產(chǎn)品僅僅是獨立的電氣控制單元，無法與CAN網(wǎng)絡接軌。該文應用MEMS加速度傳感器和CAN總線為研究對象，選取C8051F040單片機作為主控制器，對系統(tǒng)中的加速度傳感器芯片的特性以及CAN節(jié)點進行了研究設計。該文給出傾角傳感器的總體硬件結構，CAN總線接口電路以及通訊報文和軟件設計，結合插值運算提高報文精度，并通過實驗驗證了本設計的可行性。使傾角傳感器能夠與CAN網(wǎng)絡識別，實現(xiàn)與CAN總線的數(shù)據(jù)通訊和資源共享。
關鍵詞：傾斜角,傾斜角,加速度傳感器,總線,傳感器，期刊論文發(fā)表
0..引言
許多應用領域中經(jīng)常需要測量某個平面是否處于水平位置，或測量該平面相對于水平面的夾角。目前的大多數(shù)傾斜角傳感器都是利用重力加速度來工作的，即所謂的“擺”的工作原理，根據(jù)“擺”在重力場內(nèi)力圖保持其鉛垂方向的特性來設計的。由于加速度計的輸出經(jīng)處理可得到一個與傾斜角成正比的直流電壓，因此可以利用加速度計測量物體相對于水平面的傾斜角。MEMS加速度計傳感器體積小,重量輕,功耗小,啟動快,成本低,可靠性高,易于實現(xiàn)數(shù)字化和智能化，SOC型單片機也因其高度集成化的優(yōu)點得到廣泛應用。而傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，一般都采用一對一連線，使用電壓、電流的模擬信號進行測量控制，或采用集散系統(tǒng)DCS，通過總線如RS-485同上位機相連。這些系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和拓展性不好，而且布線復雜、成本較高。從以上背景出發(fā)，本設計涉及的主要內(nèi)容是研究電容式MEMS加速度傳感器的性能及其傾斜角測量的應用，設計并結合CAN總線接口，構成傾斜角傳感器。適應工業(yè)控制領域傳感器的發(fā)展方向，研究傾斜角測量技術和現(xiàn)場總線技術的相互結合與實際應用。
1CAN總線及CAN網(wǎng)絡介紹
CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng)是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡，位速率可高達1Mbps，具有現(xiàn)場總線開放式、數(shù)字式、多點通信的特點。由于CAN具有高可靠性和實用性，應用范圍遍及從高速網(wǎng)絡到低成本的多線路網(wǎng)絡，可以應用在汽車控制系統(tǒng)，自動化電子領域中的各種部件(傳感器、燈光、執(zhí)行機構等)與主機連接組成CAN網(wǎng)絡。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而擴展到了機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療機械、家用電器及傳感器等領域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。
圖1給出了一種以智能傳感器，控制器，計算機，數(shù)字通信，網(wǎng)絡系統(tǒng)等構成的自動控制系統(tǒng)。
圖1
CAN網(wǎng)絡兩端通常連接兩終端電阻，終端電阻可以防止數(shù)據(jù)在到達線路終端后像回聲一樣返回而干擾原始數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的正確傳送，根據(jù)ISO11898標準中描述，終端電阻一般取120歐姆。CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸線通常為雙向數(shù)據(jù)線，分為高位和低位數(shù)據(jù)線。所以，CAN網(wǎng)絡中各節(jié)點間實際傳輸?shù)奈锢黼娖綖椴罘蛛娖�，為了防止外界電磁波干擾和向外輻射，兩條數(shù)據(jù)線通常平行纏繞在一起，電位相反，電壓和總等于常值。
2基于CAN總線的傾角傳感器硬件設計
本例中傾角傳感器以C8051F040為核心控制器。本硬件系統(tǒng)主要對加速度傳感器的輸出信號進行處理。主要包括：ADXL203加速度傳感器、電壓跟隨、低通濾波、分壓、AD轉(zhuǎn)換、單片機及其外圍電路等。傳感器系統(tǒng)結構如圖2所示。該硬件系統(tǒng)中，傳感器輸出的信號將首先通過信號保持電路，以提高傳感器信號的帶負載能力，避免了加速度信號的衰減，然后將信號通過一個低通濾波器，以除去信號中夾雜的隨機干擾信號，再將信號通過AD轉(zhuǎn)換，由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送到單片機進行處理。
SiliconLaboratories公司出品的C8051F040單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核。該單片機采用流水線處理技術，不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，能在執(zhí)行指令期間預處理下一條指令，提高指令執(zhí)行效率。同時具備測控系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設，包括看門狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS總線以及CAN總線。C8051F040單片機采用FlashROM技術，集成JTAG，支持在線編程。C8051F040具有諸多特點和優(yōu)越性，而且集成了CAN控制器，可以大大簡化設計中CAN總線接口設計的電路，因此本課題選用該型號單片機為主控制芯片。
3傾角傳感器通訊報文定義
CAN網(wǎng)絡中各節(jié)點間傳輸?shù)男畔⒎Q之為報文(Message)。傾角傳感器要和網(wǎng)絡上其它電控單元進行通訊，需要對其傳輸?shù)膱笪倪M行定義。數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始，仲裁場，控制場，數(shù)據(jù)場，CRC場，應答場和幀結束。CAN2.0A數(shù)據(jù)幀的組成如圖3所示。
4CAN總線節(jié)點軟硬件設計
4.1CAN總線節(jié)點硬件設計
在CAN總線接口電路中，CAN控制器使用SiliconLaboratories公司的集成CAN控制器的微處理器C8051F040，只需在外部加入CAN收發(fā)器，這里使用德州公司生產(chǎn)的3.3VCAN總線收發(fā)器SN65HVD230，單片機通過控制自己集成的CAN控制器，就可以輸出符合CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)幀。通過SN65HVD230CAN收發(fā)器，與CAN總線物理層連接，單片機就可以在CAN總線上與其它節(jié)點通信了。
4.2CAN總線節(jié)點軟件設計
CAN總線節(jié)點的軟件設計主要包括三大部分：CAN節(jié)點初始化，報文發(fā)送和報文接收。初始化程序設計主要包括工作方式的設置，時鐘輸出寄存器的設置，接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設置，總線定時器的設置，輸出控制寄存器的設置和中斷允許寄存器的設置。
這里的加速度傳感器智能節(jié)點的軟件運行的主要任務是：C8051F040單片機通過3線主從SPI通信方式，控制AD轉(zhuǎn)換芯片AD7705將加速度傳感器輸出的模擬測量信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并讀取轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號結果。在單片機中，對測量得到的數(shù)字信號進行數(shù)字濾波。同時，單片機控制其CAN總線接口工作，與CAN總線網(wǎng)絡中的上位機節(jié)點和其它下位機節(jié)點實現(xiàn)CAN通信。單片機可以將得到的加速度傳感器測量結果發(fā)送到其它CAN節(jié)點，也可以接受上位機發(fā)送過來的控制數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出相應的處理和設置。由此可知，此節(jié)點的CAN通信主要包括系統(tǒng)初始化程序、SPI發(fā)送程序、SPI接收程序、數(shù)字濾波、CAN發(fā)送程序、CAN接收程序等。軟件部分設計的好壞將直接決定系統(tǒng)能否正常工作，對于CAN總線系統(tǒng)的設計來說是一個難點，也是一個重點。圖4為加速度傳感器CAN節(jié)點的程序流程圖。
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