職稱論文基于CAN總線的傾斜角傳感器的設計

　　摘要：現今傾角傳感器在工業自動化，工程機械，醫療設備等許多領域中得到廣泛應用，但其大部分產品僅僅是獨立的電氣控制單元，無法與CAN網絡接軌。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，對系統中的加速度傳感器芯片的特性以及CAN節點進行了研究設計。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網絡識別，實現與CAN總線的數據通訊和資源共享。

　　關鍵詞：傾斜角,傾斜角,加速度傳感器,總線,傳感器，期刊論文發表

　　0..引言

　　許多應用領域中經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“擺”在重力場內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,易于實現數字化和智能化，SOC型單片機也因其高度集成化的優點得到廣泛應用。而傳統的控制系統，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DCS，通過總線如RS-485同上位機相連。這些系統的可靠性、穩定性和拓展性不好，而且布線復雜、成本較高。從以上背景出發，本設計涉及的主要內容是研究電容式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。適應工業控制領域傳感器的發展方向，研究傾斜角測量技術和現場總線技術的相互結合與實際應用。

　　1CAN總線及CAN網絡介紹

　　CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域網是國際上應用最廣泛的現場總線之一。它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，位速率可高達1Mbps，具有現場總線開放式、數字式、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絡到低成本的多線路網絡，可以應用在汽車控制系統，自動化電子領域中的各種部件(傳感器、燈光、執行機構等)與主機連接組成CAN網絡。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，而擴展到了機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療機械、家用電器及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。

　　圖1給出了一種以智能傳感器，控制器，計算機，數字通信，網絡系統等構成的自動控制系統。

　　圖1

　　CAN網絡兩端通常連接兩終端電阻，終端電阻可以防止數據在到達線路終端后像回聲一樣返回而干擾原始數據，從而保證數據的正確傳送，根據ISO11898標準中描述，終端電阻一般取120歐姆。CAN網絡的數據傳輸線通常為雙向數據線，分為高位和低位數據線。所以，CAN網絡中各節點間實際傳輸的物理電平為差分電平，為了防止外界電磁波干擾和向外輻射，兩條數據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轉換、單片機及其外圍電路等。傳感器系統結構如圖2所示。該硬件系統中，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轉換，由模擬信號轉換為數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級芯片(SOC)，具有與MCS-51完全兼容的指令內核。該單片機采用流水線處理技術，不再區分時鐘周期和機器周期，能在執行指令期間預處理下一條指令，提高指令執行效率。同時具備測控系統所需的模擬和數字外設，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網絡中各節點間傳輸的信息稱之為報文(Message)。傾角傳感器要和網絡上其它電控單元進行通訊，需要對其傳輸的報文進行定義。數據幀由7個不同的位場組成，即幀起始，仲裁場，控制場，數據場，CRC場，應答場和幀結束。CAN2.0A數據幀的組成如圖3所示。

　　4CAN總線節點軟硬件設計

　　4.1CAN總線節點硬件設計

　　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收發器，這里使用德州公司生產的3.3VCAN總線收發器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總線協議的數據幀。通過SN65HVD230CAN收發器，與CAN總線物理層連接，單片機就可以在CAN總線上與其它節點通信了。

　　4.2CAN總線節點軟件設計

　　CAN總線節點的軟件設計主要包括三大部分：CAN節點初始化，報文發送和報文接收。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轉換芯片AD7705將加速度傳感器輸出的模擬測量信號進行數模轉換，并讀取轉換得到的數字信號結果。在單片機中，對測量得到的數字信號進行數字濾波。同時，單片機控制其CAN總線接口工作，與CAN總線網絡中的上位機節點和其它下位機節點實現CAN通信。單片機可以將得到的加速度傳感器測量結果發送到其它CAN節點，也可以接受上位機發送過來的控制數據，并根據數據做出相應的處理和設置。由此可知，此節點的CAN通信主要包括系統初始化程序、SPI發送程序、SPI接收程序、數字濾波、CAN發送程序、CAN接收程序等。軟件部分設計的好壞將直接決定系統能否正常工作，對于CAN總線系統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節點的程序流程圖。

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