畢業設計-基于can總線的智能壓力傳感器(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 (IOPIntraocular pressure)為 60mmHg時，靜態輸出為 40mV，靈敏度系數亦較高 :Marco, S和Samitier, J等人于 1997年也報導了使用極薄膜片構成的高性能、用于生物學研究的壓阻式力傳感器，主要用于血管壓力測量。 溫度漂移的補償由于溫度是影響壓力傳感器線性度的土要原因，溫度漂移效應補償研究成為眾所關注的課題，近年來發表此方面的論文也比較多，歸納起來有兩大類 :其一是利用雙惠斯登電橋結構對溫度漂移進行補償，如 :Lee, Young Tac和 Seo , Hee Don等人提出的利用雙惠斯登單臂電橋結構補償法 。Hou , Chenggui提出的雙電橋制成的壓力傳感器，利用雙電橋來改善壓力傳感器的靈敏度，消除零壓輸出，減小靈敏度溫度漂移己得到了實現等。其二是利用線性電壓激勵，使壓阻式力傳感器的靈敏度改變得以補償。 Gakkested , Jakob 。Ohlckers, Per III Halbo , Leif成功地實現 T這一設想。對溫度變化引起的靈敏度和線性度漂移利用軟件或硬件進行補償同樣取得了良好的效益。 目前，傳感器在很多方面存在嚴重不足，因結構尺寸人，時間 (頻率 )響應特性差 。輸入 輸出特性存在非線性，且隨時間漂移 。參數易受環境條件變化的影響而漂移等。 南京工業 大學 2021 屆本科生畢業設計 第 6 頁 壓力傳感器的發展方向 向高精度發展 :隨著自動化生產程度的不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可 靠性。目前能生產精度在萬分之一以上的傳感器的廠家為數很少，其產量 也遠遠不能滿足要求 [6]. 向高可靠性、寬溫度范圍發展 :傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。提高溫度范圍歷來是大課題，大部分傳感器其工作范圍都在 200℃～ 700℃，在軍用系統中要求工作溫度在一 400℃～ 850℃范圍，而汽車鍋爐等場合要求傳感器工作在 200℃～ 1200℃，在冶煉、焦化等方面對傳感器的溫度要求更高，因此發展新興材料 (如陶瓷 )的傳感器將很有前途。 向微型化發展 。各種控制儀器設備的功能越來越人，要求各個部件體積能占位置越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發展新的材料及加工技術，目前利用硅材料制作的傳感器體積己經很小。如傳統的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加 工 技術制 成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。 向微功耗及無源化發展 ,傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，在野外現場或遠離電網的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向，這樣既可以節省能源又可以提高系統壽命。日前，低功耗損的芯片發展很快，如 TI2702運算放大器，靜態功耗只有 ，而工作電壓只需 2～ 5V。 向智能化數字化發展 :隨著現代化的發展，傳感器的功能己突破傳統的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號 (如 0～ 10mV )，而是經過微電腦處理好后的數字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數字傳感器 [8]。 南京工業 大學 2021 屆本科生畢業設計 第 7 頁 課題研究的內容和方法 課題研究圍繞傳感器儀表的設計展開。首先確定要開發的 CAN 總線智能壓力傳感器具有測量、控制和通信的功能，并規定設備的工作過程如下 :被測壓力信號作用于壓力傳感器，產生對應的電壓信號，經過信號調理電路對信號進行放大、濾波后，送入 PIC18F458 微控制器，其內嵌的 A/D 轉換模塊將模擬電壓信號轉換成數字電壓信號，再經過一系列的相關軟件 (數字濾波等 )處理后，進行數碼管顯示，完成壓力測 量功能 :根據預先設定的上下限值，若超過則報警；將壓力測量值發送給 CAN 總線，并接收總線上來自上位機和其他網絡儀表的發送幀，進而實現通信功能。 接下來圍繞硬件設計和軟件編寫進行開發，并對軟、硬件進行了統一考慮，表現在以下幾個方面 : (1)盡可能選擇功能強、集成度高的標準化和模塊化芯片，盡量減少插接件和相互連線，以提高儀表的可靠性和成功率。 (2)充分發揮軟件的作用，以降低硬件成本，并能提高儀表的靈活性和適應性。 (3)各功能模塊的設計在滿足系統功能要求的基礎上，留有適當的余地，以備將來修改和擴展之用。 (4)設備的抗干擾設計在設備開發中也是需要重點考慮的，對此后面有專門討論。 總線技術的研究 CAN 總線技術的研究主要從 CAN 總線的特點、 PIC18F458 的 CAN 模塊及其應用等幾個方面進行。 硬件的設計 CAN 總線智能壓力變送器的硬件部分由傳感器模塊、微控制器模塊、通信模塊、上下限報警模塊、顯示模塊、電源模塊組成。利用 Protel99 進行電 南京工業 大學 2021 屆本科生畢業設計 第 8 頁 路原理圖及印刷電路板的設計。 軟件的編制 配合硬件結構，確定合適的軟件結構和程序算法，繪制程序流程圖，采用匯編語言最后進行仿真 調試和脫機運行調試。軟件基于模塊化設計思想，采用分層分塊的結構，使程序編寫容易，易于擴展、維護和調試。軟件部分主要包括初始化程序、數據采集與處理程序、修改報警上下限程序、數碼管顯示程序、通信程序等。 南京工業 大學 2021 屆本科生畢業設計 第 9 頁 2 CAN 現場總線 總線概述 [7] 控制器局域網（ CAN）是一個串行通信協議，它具有非常高的魯棒性（ robustness），能有效支持分布式實時控制。 Robert Bosch GmbH 在 1991 年的CAN 規范 中完整定義了此協議。 CAN 總線的應 用領域包括從高速網絡到低成本多路傳輸線路。在汽車電子應用領域，引擎控制單元、傳感器、防滑系統等都通過 CAN 連接起來，最高位速率可達 1Mbit/s。 CAN 網絡以一種節省成本的方法替代了汽車工業中繁雜的信號傳輸線。 CAN 總線在噪聲環境中的魯棒性，以及錯誤狀態的檢測和恢復能力使其適用于 eviceNet、 SDS 和其他現場總線協議等工控應用。 CAN 是具有一個邏輯總線線路的異步串行總線系統。為開放式、線性總線結構，總線節點平均分布。 CAN 總線由兩個或多個節點組成。總線上的節點數量可以動態改變，而不會影響其 他節點的通信。這樣就很容易連接或者斷開總線節點（例如為了增加系統功能、錯誤恢復或總線監測）。總線邏輯對應“線與”機制，“隱性”位（ Recessive bits，通常，但不是必須，等于邏輯電平“ 1”）被“顯性”位（ Dominant bits，通常邏輯電平為“ 0”）覆蓋。只要沒有總線節點在發送顯性位，總線線路就處于隱性狀態，但是只要任何總線節點發送了顯性位，總線線路即處于顯性狀態。因此，對于 CAN 總線線路，必須選擇能傳送兩種可能位狀態（顯性和隱性）的介質。其中最常見也最經濟的方法是使用雙絞線。此時總線線路稱為“ CANH”和“ CANL”，可以直接與節點連接或通過連接器與節點連接。對于連接器的使用， CAN 規范中并沒有定義標準。通過在總線線路的始端和末端接端接電阻來端接雙絞線。總線長度小于或等于 40米時，最大總線速度可達 1 Mb。如果總線長度超過 40米，總線速度必須要降低（ 1000 m 的總線可達到 40 Kb 的總線速度）。總線長度如果超過 1000米，則應該使用專門的驅動器。總線上不連接其他設備時至少可以連接 20個 節點。由于采用差分信號進行傳輸，兩條總線線路受到相同的影響，因此差分信號不會受到影響，所以 CAN 不易 受 EMI 的影響。也可以屏蔽 南京工業 大學 2021 屆本科生畢業設計 第 10 頁 總線線路以降低總線本身的電磁輻射，尤其是在高波特率下。 二進制數據是按 NRZ 碼（不歸零碼；低電平 = 顯性狀態；高電平 = 隱性狀態）編碼的。為確保所有總線節點的時鐘同步，使用了位填充。就是說在報文發送過程中，最多可以有 5個 連續位具有相同的極性。只要發送了相同極性的 5 個位，在繼續發送其他位前，發送器將在位流中插入一個極性相反的位。接收器也會檢查相同極性的位數，并把填充位從位流中去除（去填充）。 在 CAN 協議中，不尋址總線節點，而是將地址信息放在要發送的報文中。這是通過標識符（包 含在每個報文中）實現的，標識符標識報文內容（比如引擎速度、油溫等）。標識符另外還會表明報文的優先級。標識符的二進制值越低，報文的優先級越高。 對于總線仲裁，使用的是非破壞性仲裁（ NonDestructive Arbitration， NDA）的載波偵聽多路訪問／沖突檢測（ Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection， CSMA/CD）。如果總線節點 A 要通過網絡發送報文，它首先會檢查總線是否處于空閑狀態（“載波偵聽”），也就是說沒有節點在發送報文。如果這樣（并且沒有其他節點希望在這一時刻開始發送），節點 A 就成為總線主節點并發送報文。在第一個發送位（幀起始位）期間，所有其他節點切換到接收模式。在正確接收了報文后（由每個節點應答確認），每個總線節點分別檢查報文標識符并在必要時存儲報文。否則，報文就會被丟棄。 如果兩個或多個總線節點同時開始發送報文（“多路訪問”），則通過逐位仲裁（“沖突檢測／非破壞性仲裁”和“線與”機制，“顯性”位覆蓋“隱性”位）來避免報文沖突。每個節點發送其報文的標識符位（先發送 MSb）并監視總線電平。如果節點發送的是隱性標識符位但是讀回的 是顯性標識符，則該節點失去總線仲裁并切換到接收模式。當爭用節點報文標識符的二進制值較低（顯性狀態 = 邏輯 0）時就會出現此情況，因此該爭用節點將發送具有較高優先級的報文。這樣，具有最高優先級報文的總線節點將贏得仲裁，而不需要浪費時間來重復發送報文。一旦總線回到空閑狀態，其他節點就會自動嘗試重復發送。不允許不同的節點使用同一標識符來發送報 文，因為可能失去仲裁，并導致沖突以及稍后報文出錯。 南京工業 大學 2021 屆本科生畢業設計 第 11 頁 總線特點 CAN 總線是一種多主總線 [8]，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達 1 Mbit/s(傳輸距離為 40m)，通信距離可達 lOkm(傳輸速率為5Kbit/s) 。 CAN 協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼，使網絡內的節點數在理論上不受限制。由于 CAN 總線具有較強的糾錯能力、支持差分收發，因而適合高干擾環境，并具有較遠的傳輸距離。 CAN 得到 Motorola, Intel,Philip, Siemence, NEC 等公司的支持，CAN 的應用范圍遍及從高速網絡到低成本的多線路網絡， )，廣泛地應用于離散控制系統。 CAN 的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節 數為 8 個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。由于其采用 CRC16 的校驗方式，誤碼率僅為3x105。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能，以切斷該節點與總線的聯系，使通信線上的其他節點的通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。 所以 CAN 以其獨特的設計，低成本、高可靠性、實時性、抗干擾能力強等特點能得到廣泛的應用。 CAN 是 Controller Area Network 的英文縮寫，稱為控制器局部網，它是一種簡化型網絡結構，屬于現場總線的一種。由于 CAN 總線的高性能及獨特的設計，已被公認為幾種最有前途的現場總線之 一。 CAN 作為一種數據通信協議最初由德國 Robert Bosch 公司為汽車檢測控制系統而設計的，于 1986 年 2 月在 SAE(汽車工程師協會 )大會上首次介紹。 1991年 9 月 CAN 技術規范 版推出，該規范包括 A 和 B 兩部分。 給出了曾在CAN 技術規范 版中定義的 CAN 報文格式，而 給出了標準和擴展兩種報文格式。此后， 1993 年 11 月， IS011898(高速應用 )和 IS011519(低速應用 )， 1995 年又對 ISO 11898 進行了擴展，以附錄的形式說明了 29 位 CAN 標識符，這些規定為 CAN 的標準化、規范化及推廣應用鋪平了道路。 由于采用了許多新技術以及獨特的設計方法，使得 CAN 總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性，其