本文摘要：摘要：現(xiàn)今傾角傳感器在工業(yè)自動(dòng)化，工程機(jī)械，醫(yī)療設(shè)備等許多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但其大部分產(chǎn)品僅僅是獨(dú)立的電氣控制單元，無(wú)法與CAN網(wǎng)絡(luò)接軌。該文應(yīng)用MEMS加速度傳感器和CAN總線為研究對(duì)象，選取C8051F040單片機(jī)作為主控制器，對(duì)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(dòng)化，工程機(jī)械，醫(yī)療設(shè)備等許多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，但其大部分產(chǎn)品僅僅是獨(dú)立的電氣控制單元，無(wú)法與CAN網(wǎng)絡(luò)接軌。該文應(yīng)用MEMS加速度傳感器和CAN總線為研究對(duì)象，選取C8051F040單片機(jī)作為主控制器，對(duì)系統(tǒng)中的加速度傳感器芯片的特性以及CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。該文給出傾角傳感器的總體硬件結(jié)構(gòu)，CAN總線接口電路以及通訊報(bào)文和軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合插值運(yùn)算提高報(bào)文精度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。使傾角傳感器能夠與CAN網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)與CAN總線的數(shù)據(jù)通訊和資源共享。
關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域中經(jīng)常需要測(cè)量某個(gè)平面是否處于水平位置，或測(cè)量該平面相對(duì)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(lái)工作的，即所謂的“擺”的工作原理，根據(jù)“擺”在重力場(chǎng)內(nèi)力圖保持其鉛垂方向的特性來(lái)設(shè)計(jì)的。由于加速度計(jì)的輸出經(jīng)處理可得到一個(gè)與傾斜角成正比的直流電壓，因此可以利用加速度計(jì)測(cè)量物體相對(duì)于水平面的傾斜角。MEMS加速度計(jì)傳感器體積小,重量輕,功耗小,啟動(dòng)快,成本低,可靠性高,易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化，SOC型單片機(jī)也因其高度集成化的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。而傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，一般都采用一對(duì)一連線，使用電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制，或采用集散系統(tǒng)DCS，通過(guò)總線如RS-485同上位機(jī)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(fù)雜、成本較高。從以上背景出發(fā)，本設(shè)計(jì)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(cè)量的應(yīng)用，設(shè)計(jì)并結(jié)合CAN總線接口，構(gòu)成傾斜角傳感器。適應(yīng)工業(yè)控制領(lǐng)域傳感器的發(fā)展方向，研究?jī)A斜角測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的相互結(jié)合與實(shí)際應(yīng)用。
1CAN總線及CAN網(wǎng)絡(luò)介紹
CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng)是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，位速率可高達(dá)1Mbps，具有現(xiàn)場(chǎng)總線開(kāi)放式、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的特點(diǎn)。由于CAN具有高可靠性和實(shí)用性，應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用在汽車(chē)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化電子領(lǐng)域中的各種部件(傳感器、燈光、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)與主機(jī)連接組成CAN網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車(chē)行業(yè)，而擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療機(jī)械、家用電器及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
圖1給出了一種以智能傳感器，控制器，計(jì)算機(jī)，數(shù)字通信，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
圖1
CAN網(wǎng)絡(luò)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)中描述，終端電阻一般取120歐姆。CAN網(wǎng)絡(luò)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(luò)中各節(jié)點(diǎn)間實(shí)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(shè)計(jì)
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(duì)加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)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(jī)及其外圍電路等。傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該硬件系統(tǒng)中，傳感器輸出的信號(hào)將首先通過(guò)信號(hào)保持電路，以提高傳感器信號(hào)的帶負(fù)載能力，避免了加速度信號(hào)的衰減，然后將信號(hào)通過(guò)一個(gè)低通濾波器，以除去信號(hào)中夾雜的隨機(jī)干擾信號(hào)，再將信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行處理。
SiliconLaboratories公司出品的C8051F040單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核。該單片機(jī)采用流水線處理技術(shù)，不再區(qū)分時(shí)鐘周期和機(jī)器周期，能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令，提高指令執(zhí)行效率。同時(shí)具備測(cè)控系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門(mén)狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)輸出、定時(shí)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(jī)采用FlashROM技術(shù)，集成JTAG，支持在線編程。C8051F040具有諸多特點(diǎn)和優(yōu)越性，而且集成了CAN控制器，可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)中CAN總線接口設(shè)計(jì)的電路，因此本課題選用該型號(hào)單片機(jī)為主控制芯片。
3傾角傳感器通訊報(bào)文定義
CAN網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)男畔⒎Q(chēng)之為報(bào)文(Message)。傾角傳感器要和網(wǎng)絡(luò)上其它電控單元進(jìn)行通訊，需要對(duì)其傳輸?shù)膱?bào)文進(jìn)行定義。數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成，即幀起始，仲裁場(chǎng)，控制場(chǎng)，數(shù)據(jù)場(chǎng)，CRC場(chǎng)，應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束。CAN2.0A數(shù)據(jù)幀的組成如圖3所示。
4CAN總線節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)
4.1CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
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(jī)通過(guò)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(guò)SN65HVD230CAN收發(fā)器，與CAN總線物理層連接，單片機(jī)就可以在CAN總線上與其它節(jié)點(diǎn)通信了。
4.2CAN總線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分：CAN節(jié)點(diǎn)初始化，報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。初始化程序設(shè)計(jì)主要包括工作方式的設(shè)置，時(shí)鐘輸出寄存器的設(shè)置，接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置，總線定時(shí)器的設(shè)置，輸出控制寄存器的設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置。
這里的加速度傳感器智能節(jié)點(diǎn)的軟件運(yùn)行的主要任務(wù)是：C8051F040單片機(jī)通過(guò)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(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并讀取轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)結(jié)果。在單片機(jī)中，對(duì)測(cè)量得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。同時(shí)，單片機(jī)控制其CAN總線接口工作，與CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的上位機(jī)節(jié)點(diǎn)和其它下位機(jī)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)CAN通信。單片機(jī)可以將得到的加速度傳感器測(cè)量結(jié)果發(fā)送到其它CAN節(jié)點(diǎn)，也可以接受上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理和設(shè)置。由此可知，此節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)的好壞將直接決定系統(tǒng)能否正常工作，對(duì)于CAN總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)重點(diǎn)。圖4為加速度傳感器CAN節(jié)點(diǎn)的程序流程圖。
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