基于MC9S08DZ60的CAN總線振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著人們安全意識(shí)的不斷提高設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)顯得越發(fā)重要。各種在線監(jiān)測(cè)設(shè)備層出不窮，但大多都受到傳統(tǒng)總線速率較低，傳輸精度不高的限制。CAN總線以其在汽車(chē)行業(yè)內(nèi)實(shí)時(shí)、可靠、靈活的應(yīng)用而備受矚目，進(jìn)而不斷有其他領(lǐng)域的CAN總線應(yīng)用產(chǎn)品出現(xiàn)，基于CAN 總線的振動(dòng)傳感器正是其中一種，組網(wǎng)后的傳感器能夠很好地實(shí)現(xiàn)大型裝置的在線監(jiān)測(cè)，為企業(yè)的安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

　　2 器件簡(jiǎn)介

　　2.1 MC9S08DZ60單片機(jī)

　　飛思卡爾公司的MC9S08DZ系列單機(jī)片內(nèi)嵌 CAN的微控制器，并將內(nèi)嵌的CAN、EPROM和片上仿真/調(diào)試模塊組合在一起，集成了所有的功能，設(shè)計(jì)人員可以便捷地轉(zhuǎn)向其設(shè)計(jì)流程。 MC9S08DZ60型單機(jī)片可提供60 KB的片上flash、4 KB的片上RAM、2 KB的E2PROM。它具有串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI)、看門(mén)狗定時(shí)器(COP Watch-dog)、多達(dá)24通道的12 bit的A/D轉(zhuǎn)換模塊，另外還有I2C總線模塊和多個(gè)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。其獨(dú)特的片上仿真/調(diào)試模塊(BDG)更是大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，從而確保了 MC9S08DZ60在汽車(chē)和工控的應(yīng)用地位。

　　2.2 AD536A有效值轉(zhuǎn)換器

　　AD536A是一款有效值轉(zhuǎn)換器。它可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地計(jì)算輸入信號(hào)的平方、平均值。且得到的直流電壓值正比于輸入信號(hào)的有效值RMS。AD536A具有相當(dāng)大的響應(yīng)帶寬，在輸入有效值大于100 mV時(shí).帶寬為450 kHz，而輸入大于1 V時(shí)，帶寬增大到2 MHz。1.2 mA的靜態(tài)工作電流和寬泛的工作溫度使其應(yīng)用廣泛。

　　AD536A計(jì)算RMS時(shí)，首先求得絕對(duì)值(整流電路);然后進(jìn)行平方計(jì)算：最后是平均計(jì)算，即除以反饋的輸出電壓;再經(jīng)濾波得出結(jié)果。這里要求平均的時(shí)間常數(shù)要遠(yuǎn)大于待測(cè)信號(hào)的周期，這樣才能保證測(cè)試精度。

　　2.3 TJA1040 CAN收發(fā)器

　　TJA1040是一款高速CAN收發(fā)器，與PCA82C250/251引腳相兼容，TJA1040還提供不上電環(huán)境下理想的無(wú)源特性。TJA1040和 PCA82C250/251相比較，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：(1)如果不上電，總線上完全無(wú)源;如果VCC關(guān)閉，總線上看不到。(2)在待機(jī)模式時(shí)電流消耗極低，最大電流僅為15μA。(3)改良的電磁輻射EME性能。(4)改良的電磁抗干擾EMI性能。(5)SPLIT引腳代替Vref。引腳對(duì)總線的DC穩(wěn)壓很有效。

　　TJA1040向下兼容PCA82C250/251，并且可在已有PCA82C250/251的應(yīng)用中使用，而硬件和軟件無(wú)需任何修改。

　　3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)傳感器包括采集、濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理上傳等模塊，如圖1所示。采集模塊使用環(huán)形剪切的傳感器，將裝置的振動(dòng)量轉(zhuǎn)變?yōu)轫憫?yīng)的微小電壓后送人濾波放大電路。信號(hào)經(jīng)放大濾波電路分成：高頻加速度、低頻加速度、速度、位移4個(gè)測(cè)量參數(shù)再傳輸?shù)接行е缔D(zhuǎn)換。這些信號(hào)經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換和單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊后存入單片機(jī)，再經(jīng)由CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳至主控機(jī)備份。

　　3.1 濾波放大模塊

　　圖2為濾波放大模塊組成框圖，南于壓電陶瓷轉(zhuǎn)變后的電信號(hào)含有噪聲，前端的電壓跟隨主要是去噪放大。系統(tǒng)將對(duì)1O Hz～1 kHz內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行分析，其中包括10 Hz兩級(jí)高通加速度、10 Hz～1 kHz低頻加速度，10 Hz～1 kHz低頻速度、10 Hz～1 kHz低頻位移。它們經(jīng)單片機(jī)控制的多路開(kāi)關(guān)傳輸至有效值轉(zhuǎn)換器。這里積分器并沒(méi)有采用典型積分方式，而是采用一種近似的方法，如圖3所示。這種方式能夠有效減少噪聲，保證純凈信號(hào)。

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　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和CAN通信兩大模塊。上電初始化后，單片機(jī)開(kāi)始采集A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)，按照高頻加速度、低頻加速度、速度、位移的次序采集信號(hào)，并存儲(chǔ)到片上存儲(chǔ)單元。而與主機(jī)的CAN通信將以中斷形式完成。圖5為系統(tǒng)整體流程。

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　　4.1 采集存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

　　由有效值轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)將接人片上A/D轉(zhuǎn)換模塊，MC9S08DZ60單片機(jī)提供 24路12 bit的A/D轉(zhuǎn)換模塊。上電后對(duì)該模塊初始化操作，典型的初始化方式：(1)更新配置寄存器ADDCFG用以選擇A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘源和設(shè)定內(nèi)部時(shí)鐘頻率ADCK。該寄存器還可設(shè)置采樣時(shí)間等參數(shù)。(2)更新?tīng)顟B(tài)控制寄存器ADCSC2，該寄存器可設(shè)定轉(zhuǎn)換的觸發(fā)方式，如果作為比較器使用時(shí)還可設(shè)定比較方式。(3)更新?tīng)顟B(tài)控制寄存器ADCSC1，該寄存器可用來(lái)設(shè)定轉(zhuǎn)換方式，即持續(xù)轉(zhuǎn)換和單次轉(zhuǎn)換。該寄存器還可設(shè)定轉(zhuǎn)換通道以及轉(zhuǎn)換完成后是否觸發(fā)中斷。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入結(jié)果寄存器ADCRL和ADCRH供系統(tǒng)調(diào)用。

　　系統(tǒng)上電初始化后，系統(tǒng)主程序按照高頻加速度、低頻加速度、速度、位移的順序依次設(shè)定模擬開(kāi)關(guān)，為防止因剛剛選定通道后信號(hào)不穩(wěn)定而造成測(cè)量失真，因此需加入一段延時(shí)程序。延時(shí)過(guò)后，片上A/D轉(zhuǎn)換器模塊采集原始和10倍信號(hào)，與門(mén)限對(duì)比后，存入存儲(chǔ)單元。為保證數(shù)據(jù)的有效性，采用采集多組數(shù)據(jù)后平均方式。在存儲(chǔ)之前，處理后的數(shù)據(jù)會(huì)與單片機(jī)內(nèi)部警告門(mén)限(可設(shè)定)相比對(duì)，如果超出預(yù)警門(mén)限，則再次測(cè)量此信號(hào)，若連續(xù)3次超出門(mén)限，將觸發(fā)預(yù)警中斷，向上位機(jī)發(fā)出預(yù)警。

　　4.2 CAN通信模塊

　　4.2.1 CAN模塊簡(jiǎn)介

　　MC9S08DZ60內(nèi)部集成了應(yīng)用CAN 2.0A/B協(xié)議的CAN控制器，包含5個(gè)先進(jìn)先出的接收寄存器，3個(gè)使用本地優(yōu)先級(jí)的發(fā)送寄存器。在ID識(shí)別方面提供了64 bit的掩碼寄存器，可分用為2個(gè)32 bit的滿(mǎn)值寄存器，或4個(gè)16 bit、8個(gè)8 bit的寄存器，這使總線上的消息尋址更加靈活方便。為滿(mǎn)足低功耗需求，該模塊提供睡眠、掉電和MSCAN使能3種模式。

　　CAN總線中的數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成：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)、幀結(jié)尾。其中數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度可以為0，但模塊封裝的幀最多不超過(guò)8個(gè)字節(jié)。根據(jù)仲裁位的不同可分為標(biāo)準(zhǔn)幀(11 bit標(biāo)識(shí)符)和擴(kuò)展幀(29bit標(biāo)識(shí)符)。擴(kuò)展幀格式包括4個(gè)ID寄存器IRD0～I(xiàn)RD3，8個(gè)數(shù)據(jù)寄存器DSR0和1個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器DLR，其中IRD0首位是ID28，IRD3末位是ID0。兩者之間還存有信號(hào)標(biāo)識(shí)位SRR、IDE和RTR。

　　4.2.2 CAN通信協(xié)議

　　CAN總線的通信采用主叫輪詢(xún)方式。由于CAN的限制，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)子節(jié)點(diǎn)不宜超過(guò)1 000個(gè)，這里取10 bit作為源和目的設(shè)備的ID標(biāo)識(shí)。因?yàn)镮D28只能為1，這里規(guī)定ID27～I(xiàn)D18為幀源ID，而ID17～I(xiàn)D8為幀目的ID。因?yàn)橥ㄐ判枰獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)多于8個(gè)字節(jié)，這里把DSR0作為傳輸多幀數(shù)據(jù)的總幀數(shù)寄存器，把DSR1作為傳輸多幀數(shù)據(jù)的當(dāng)前幀數(shù)寄存器，DSR2作為幀功能寄存器， DSR3～DSR6傳輸數(shù)據(jù)，DSR7為校驗(yàn)寄存器。

　　4.2.3 通信流程

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都是由上位機(jī)輪詢(xún)通信的，主機(jī)先發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求幀請(qǐng)求建立連接，待收到被叫節(jié)點(diǎn)響應(yīng)幀后，連接建立并由主機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)逐幀發(fā)送，待主機(jī)正確接收后再次請(qǐng)求發(fā)送，否則將發(fā)送出錯(cuò)幀請(qǐng)求重新發(fā)送當(dāng)前幀，當(dāng)全部數(shù)據(jù)正確傳輸后，主機(jī)發(fā)送斷開(kāi)連接幀完成通信。這里上位機(jī)通過(guò)發(fā)送一個(gè)修正因子給節(jié)點(diǎn)，修正上傳數(shù)據(jù)的范圍。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)實(shí)踐證明，該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)在實(shí)驗(yàn)室條件下能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信，并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。這種應(yīng)用了安全可靠的CAN總線技術(shù)的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠有效降低人員現(xiàn)場(chǎng)巡查的難度，其最高1 Mb/s的傳輸速度可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患，排除故障?；谶@些優(yōu)勢(shì)，CAN總線使人們振動(dòng)傳感器檢測(cè)設(shè)備必然在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。