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          傳感項目
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          基于CAN總線的智能薄膜壓力變送器總體方案設計

          發布時間:2017-6-19??????發布人:澤天傳感??????點擊:

          一、主要技術指標

          量程:0-60Mpa;輸出:4-20mA模擬量輸出與CAN總線數字量輸出;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。非線性:0.1%FS;準確度:0.2% FS;零點漂移:0.01%FS/h;頻率響應:>=1000Hz(隨機試驗)。

          二、總體設計框圖

          圖1 CAN總線智能薄膜壓力變送器總體設計框圖

          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系。傳感器信號調理芯片給電橋提供激勵源(恒壓源或恒流源),對電橋輸出的電壓信號進行差分放大,A/D轉換,在數字域對傳感器信號進行零點偏移調整,溫漂補償,非線性校正。并將校正之后的數字信號進行D/A轉換輸出一電壓信號或電流信號。另外,信號調理芯片也將校正之后的數字信號通過IIC接口以數字量的形式輸出。在這里信號調理芯片被設置成電壓輸出,輸出的0-5V信號由XTR110轉換為4-20mA信號。利用單片機P87C591的IIC接口將信號調理芯片輸出的校準壓力數字信號接收,并打包封裝成CAN數據幀,從自帶的CAN控制器接口將數據發送給CAN總線收發器TJA1050。為防止總線干擾信號影響單片機的正確運行,在數據傳輸給TJA1050之前必需進行電氣隔離。電氣隔離由ADuM1201和B0505S來完成。

          四、關鍵因素、難點及解決方案

          ①、對于同一個壓力信號既要求4-20mA模擬量輸出,又要求CAN總線數字量輸出,且兩者一一對應。

          措施:采用傳感器信號調理芯片。該芯片內部的數字校準處理器能夠補賞傳感器偏移、靈敏度、溫漂和非線型性,還能輸出校準之后的模擬信號以及與之對應的數字信號。

          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,而信號調理芯片的電流輸出只能采用2線制環路。

          措施:將信號調理芯片的輸出設置為0-5V電壓信號,然后采用XTR110將0-5V電壓轉換為3線制的4-20mA電流輸出。

          ③、CAN總線數據通信速率要隨具體通信距離進行適當調整。

          措施;在電路板上設置跳線,供用戶根據實際使用環境進行設置。單片機根據用戶的設置來修改CAN總線的位定時寄存器,從而達到更改通信速率的目的。

          ④、產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5omh的電阻與CAN總線相連,電阻可起到一定的限流作用,保護TJA1050 免受過流的沖擊,CANH 和CANL 與地之間并聯了兩個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保護二極管,當CAN總線有較高的負電壓時通過二極管短路可起到一定的過壓保護作。在CAN總線兩端各接一個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CAN總線竄入電壓干擾時可通過TVS管短路起到一定的過壓保護作用。為了減小現場對節點的干擾,要求采用屏蔽雙絞線。

          五、關鍵元件選型

          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。選用傳感器信號調理芯片適用于的橋式傳感器(輸入信號范圍1~~275mV/V);內部的數字校準處理器能夠補賞傳感器零點偏移、靈敏度、溫漂和非線性,還能輸出校準之后的模擬信號以及與之對應的數字信號。工作溫度:-40℃~125℃。

          電壓轉電流: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:選用Philips生產的P87C591(OTP),該芯片具有80C51內核,集成了CAN控制器,IIC接口,看門狗。內部帶有16KB的程序存儲器,程序存儲器可外擴到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。最高數據速率可達20Mbps。隔離電壓為2500Vrms(持續1分鐘)。5V供電,0-2Mbps時,每個通道的電流消耗為1.1mA。工作溫度-40℃-105℃

          CAN收發器:philips生產的TJA1050,符合ISO11898標準,低的電磁輻射能力,它提供差分收發功能,負責連接CAN控制器和CAN物理總線,最高速率可達1Mbps。工作溫度-40℃-+125℃

          六、驗證用主控制器方案

          為驗證智能薄膜壓力變送器的功能及性能指標,必須設計一主控制器和多個變送器進行單向(必要時增加雙向)CAN總線通訊,并將4-20mA模擬量轉換為數字量,將每個變送器節點的壓力值顯示出來。這個主控制器必須具備CAN總線通信、模數轉換、壓力值顯示、能與PC通信等功能。為方便現場調試,這個控制器必須體積小、攜帶方便的特點。

          我們研究的重點是智能變送器單元,為保證項目進度,液晶顯示將作為可選部分。整個系統采用開關電源為總線上各個節點提供+24V電源。

          CAN總線收發器、隔離器件、電源隔離模塊的選擇和壓力變送器節點相同。單片微處理器選擇atmel公司的T89C51CC02,該芯片采用51內核,256字節的RAM,256字節XRAM,16KB的在片flash。2KB的在片啟動flash,支持ISP和IAP,一個全雙工的UART,3個16位定時計數器、21bits的看門狗定時器、10位的A/D轉換器、全功能的CAN控制器。供電電壓3V-5.5V。工作溫度-40℃~+85℃。

          圖2 CAN總線調試用控制器框圖

          本文源自澤天傳感,版權所有,轉載請注明出處。

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