基于CAN總線的智能薄膜壓力變送器總體方案設(shè)計(jì)
一、主要技術(shù)指標(biāo)
量程：０－60Mpa；輸出：４－２０mA模擬量輸出與CAN總線數(shù)字量輸出；供電電源：２４VDC；對外接口：5線制；通信距離：５０－１００m；通信速率：125Kbps，250Kbps，500Kbps可調(diào)。非線性：0.1%FS；準(zhǔn)確度：0.2% FS；零點(diǎn)漂移：0.01%FS/h；頻率響應(yīng)：>=1000Hz(隨機(jī)試驗(yàn))。
二、總體設(shè)計(jì)框圖
圖1 CAN總線智能薄膜壓力變送器總體設(shè)計(jì)框圖
三、原理介紹
四臂差動全橋在外部恒壓源（或恒流源）供電的條件下，感受外部壓力，輸出一微弱電壓信號。該電壓信號與壓力成近似線性關(guān)系。傳感器信號調(diào)理芯片給電橋提供激勵(lì)源（恒壓源或恒流源），對電橋輸出的電壓信號進(jìn)行差分放大，A/D轉(zhuǎn)換，在數(shù)字域?qū)鞲衅餍盘栠M(jìn)行零點(diǎn)偏移調(diào)整，溫漂補(bǔ)償，非線性校正。并將校正之后的數(shù)字信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出一電壓信號或電流信號。另外，信號調(diào)理芯片也將校正之后的數(shù)字信號通過IIC接口以數(shù)字量的形式輸出。在這里信號調(diào)理芯片被設(shè)置成電壓輸出，輸出的0-5V信號由XTR110轉(zhuǎn)換為4-20mA信號。利用單片機(jī)P87C591的IIC接口將信號調(diào)理芯片輸出的校準(zhǔn)壓力數(shù)字信號接收，并打包封裝成CAN數(shù)據(jù)幀，從自帶的CAN控制器接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN總線收發(fā)器TJA1050。為防止總線干擾信號影響單片機(jī)的正確運(yùn)行，在數(shù)據(jù)傳輸給TJA1050之前必需進(jìn)行電氣隔離。電氣隔離由ADuM1201和B0505S來完成。
四、關(guān)鍵因素、難點(diǎn)及解決方案
①、對于同一個(gè)壓力信號既要求4-20mA模擬量輸出，又要求CAN總線數(shù)字量輸出,且兩者一一對應(yīng)。
措施：采用傳感器信號調(diào)理芯片。該芯片內(nèi)部的數(shù)字校準(zhǔn)處理器能夠補(bǔ)賞傳感器偏移、靈敏度、溫漂和非線型性，還能輸出校準(zhǔn)之后的模擬信號以及與之對應(yīng)的數(shù)字信號。
②、此變送器對外的接口是5線制(+24V，GND，CANH ，CANL，4-20mA)，因此壓力模擬信號只能采用3線制的4-20mA輸出形式，而信號調(diào)理芯片的電流輸出只能采用2線制環(huán)路。
措施：將信號調(diào)理芯片的輸出設(shè)置為0-5V電壓信號，然后采用XTR110將0-5V電壓轉(zhuǎn)換為3線制的4-20mA電流輸出。
③、CAN總線數(shù)據(jù)通信速率要隨具體通信距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。
措施；在電路板上設(shè)置跳線，供用戶根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。單片機(jī)根據(jù)用戶的設(shè)置來修改CAN總線的位定時(shí)寄存器，從而達(dá)到更改通信速率的目的。
④、產(chǎn)品的電磁兼容性滿足GJB150A，CAN總線易受到外部的電磁干擾。
措施：電源隔離，CAN總線收發(fā)器TJA1050 與CAN總線的接口部分采用一定的安全和抗干擾措施，TJA1050 的CANH 和CANL 引腳各自通過一個(gè)5omh的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)TJA1050 免受過流的沖擊，CANH 和CANL 與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30P 的小電容可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時(shí)通過二極管短路可起到一定的過壓保護(hù)作。在CAN總線兩端各接一個(gè)120omh的匹配電阻，減小總線上的電流反射。在兩根CAN總線接入端之間并入了5.6V的TVS管，當(dāng)CAN總線竄入電壓干擾時(shí)可通過TVS管短路起到一定的過壓保護(hù)作用。為了減小現(xiàn)場對節(jié)點(diǎn)的干擾，要求采用屏蔽雙絞線。
五、關(guān)鍵元件選型
傳感器：采用的壓力傳感器芯體，4mA恒流源供電時(shí)輸出900mV；精度為0.25%FS，如傳感器量程用于0~50%FS范圍，精度可改善2到4倍。選用傳感器信號調(diào)理芯片適用于的橋式傳感器（輸入信號范圍1~~275mV/V）；內(nèi)部的數(shù)字校準(zhǔn)處理器能夠補(bǔ)賞傳感器零點(diǎn)偏移、靈敏度、溫漂和非線性，還能輸出校準(zhǔn)之后的模擬信號以及與之對應(yīng)的數(shù)字信號。工作溫度：-40℃~125℃。
電壓轉(zhuǎn)電流：選用XTR110，可選的輸入/輸出范圍。通過少量的外部元件配置可以使其完成0-5V輸入，4-20mA輸出。最大的非線性為0.005%。寬供電電壓13.5-40V，16管腳貼片封裝。最寬工作溫度為-55℃~125℃。
單片機(jī)：選用Philips生產(chǎn)的P87C591（OTP），該芯片具有80C51內(nèi)核，集成了CAN控制器，IIC接口，看門狗。內(nèi)部帶有16KB的程序存儲器，程序存儲器可外擴(kuò)到64KB。指令周期500ns@12MHz，工作溫度-40℃~85℃。
CAN隔離器件：選用AD公司的ADuM1201，8腳封裝兩通道雙向隔離傳輸。最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Mbps。隔離電壓為2500Vrms（持續(xù)1分鐘）。5V供電，0-2Mbps時(shí)，每個(gè)通道的電流消耗為1.1mA。工作溫度-40℃-105℃
CAN收發(fā)器：philips生產(chǎn)的TJA1050，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，低的電磁輻射能力，它提供差分收發(fā)功能，負(fù)責(zé)連接CAN控制器和CAN物理總線，最高速率可達(dá)1Mbps。工作溫度-40℃-+125℃
六、驗(yàn)證用主控制器方案
為驗(yàn)證智能薄膜壓力變送器的功能及性能指標(biāo)，必須設(shè)計(jì)一主控制器和多個(gè)變送器進(jìn)行單向（必要時(shí)增加雙向）CAN總線通訊，并將4-20mA模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將每個(gè)變送器節(jié)點(diǎn)的壓力值顯示出來。這個(gè)主控制器必須具備CAN總線通信、模數(shù)轉(zhuǎn)換、壓力值顯示、能與PC通信等功能。為方便現(xiàn)場調(diào)試，這個(gè)控制器必須體積小、攜帶方便的特點(diǎn)。
我們研究的重點(diǎn)是智能變送器單元，為保證項(xiàng)目進(jìn)度，液晶顯示將作為可選部分。整個(gè)系統(tǒng)采用開關(guān)電源為總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供+24V電源。
CAN總線收發(fā)器、隔離器件、電源隔離模塊的選擇和壓力變送器節(jié)點(diǎn)相同。單片微處理器選擇atmel公司的T89C51CC02，該芯片采用51內(nèi)核，256字節(jié)的RAM，256字節(jié)XRAM，16KB的在片flash。2KB的在片啟動flash，支持ISP和IAP，一個(gè)全雙工的UART，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、21bits的看門狗定時(shí)器、10位的A/D轉(zhuǎn)換器、全功能的CAN控制器。供電電壓3V-5.5V。工作溫度-40℃~+85℃。
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