基于CAN总线的高精度称重传感器节点设计

摘 要： 传统二次仪表式称重传感器是将Wheatstone电桥输出的模拟信号送到二次仪表，经放大、模数转换后显示输出，具有传输距离短，组网能力有限，二次放大会引入误差等缺点。这里将车载称重系统中的称重传感器信号直接数字化，并引入CAN总线，利用现场总线容错性强、通信速率高等特点，提高了车载称重系统的精度和数据通信的可靠性和实时性。设计了一个主控器节点和多个高精度称重传感器节点，并将节点直接连接到CAN总线网络中，实现了基于CAN总线的车载高精度称重系统的设计。

关键词： 称重传感器； CAN总线； 信号数字化； 节点设计

中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0038?03

Abstract： The traditional weighing sensor with secondary meter mode sends the analog signal output by Wheatstone bridge to the secondary meter， which will displayed and output after amplification and A/D conversion. It has the defects of short transmission distance and limited networking performance， and may bring in the error due to the secondary amplification. The weighing sensor signal in the vehicle?mounted weighing system is digitized directly. The CAN bus is introduced into the system. By means of the characteristics of strong fault tolerance and high communication rate， the precision of the vehicle?mounted weighing system， reliability and real?time performance of the data communication are improved. A node of the master controller and multiple nodes of high?precision weighing sensor were designed， and connected to the CAN bus network directly. The design of the vehicle?mounted high?precision weighing system based on CAN bus was realized.

Keywords： weighing sensor； CAN bus； signal digitization； node design

0 引 言

CAN总线技术源自20世纪80年代的德国，最早是BOSCH公司用来解决汽车内部复杂的硬件信号接线[1?2]。目前，随着技术的不断发展和成熟，现场总线已经被广泛应用于计算机、测试系统以及网络控制系统中，与一般RS 485，RS 232通信协议不同的是，CAN总线具有比较高的可靠性、实时性、灵活性、数据完整性以及可用性[3?5]，并且CAN总线经过了ISO11898和ISO11519标准化认证[6?7]。具有以下特点：采用多主方式工作，网络节点间可以在任意时刻相互传递信息，无主从之分，通信方式极为灵活；可划分优先级，实时性好；传输距离远，通信速率高；CAN编码节点数量不受限制；采用非破坏性总线裁决技术，保证优先级高的节点信息传输；检错效果好、出错率低，节点出现严重错误时，自动关闭输出功能[8?9]。

目前，工业现场采用的称重传感器主要是二次仪表式，也就是采用数显仪表作为显示器[10]。基本原理是激励并接收Wheatstone电桥产生的模拟电信号，随后进行二次放大、A/D转换，最后显示数字量。但是存在比较大的问题：模拟信号抗干扰能力差，要求传输信号的线路越短越好；二次仪表提供的信号输入口的数量固定，限制了Wheatstone电桥数量，出厂后不易改变[11?12]。高精度称重传感器在模拟信号转化成数字信号后，舍去二次放大信号，采用Σ?Δ原理和斩波技术增强了抗干扰能力，A/D转换电路更加适用于高精度仪表系统。此外，高精度称重传感器采用CAN总线通信，使系统容量增大、信号传输距离增加、抗干扰能力增强，并能保证高精度[13?14]。

本文针对高精度称重传感器网络，引入CAN总线技术，并设计了网络节点。虽然该设计是结合实际控制和测试需要而进行的，但是由于CAN通信协议和硬件电路具有较高的可移植性，因此该设计可以应用到其他场所，具有重要意义。

1 高精度称重传感器节点硬件设计

1.1 系统组成

高精度传感器网络系统主要由基于CAN总线的传感器节点和监控主机组成。称重传感器的节点检测应变信号经过信号调理模块后，将数字信号通过CAN总线传输到监控主机，主机主要负责接收和处理数据。基于CAN总线的称重传感器节点的总体结构如图1所示。

1.2 硬件设计

该传感器网络系统主要由三部分组成：信号调理模块、微处理器单元、CAN总线控制电路。称重传感器节点的硬件电路图如图2所示。

1.2.1 信号调理电路

称重传感器一般是Wheatsone电桥结构，受到重力或压力作用，应变片会随着传感器结构的变化而产生相应的电阻效应，其中应变片电阻值的变化反映了被测对象的应变变化。传统二次仪表式称重传感器信号调理电路如图3所示，由于应变电桥输出电信号比较微弱，为满足测量精度会进行放大、二次滤波，然后进行A/D转换，最后输出给数据采集系统。这样一来就导致数据的传输距离短，精度低，尤其是对动态称重测量系统就更加不利。

为了提高称重传感器的稳定性和精度，并且更加适应于动态测量。本系统将采用Σ?Δ型A/D转换器和斩波技术，MAX1402是串行数据输出，并且具有200 μA的内置激励电压源，该功能模块具有开关网络、调制器、PGA、缓冲器、振荡器及集成于模块内部的数字滤波器和双向串行通信接口。采用REF43基准电压源来稳定输出电压信号，精度可达0.1%，新的调理电路如图4所示。

1.2.2 微处理单元

微处理器模块（MCU）是该传感器网络节点的核心，主要用于完成数据的采集、处理和数据输出及调度等。本系统采用的MCU是高性能、低功耗的AVR 8位处理器C8051F550，该单片机具有32 KB的FLASH程序存储器，2 KB的RAM和2 KB的ROM，另外，还具有8路12位的ADC，转换时间较短，最高分辨率可达15 KB/scan，并且能够通过SPI进行接口扩展，并通过SPI总线连接CAN控制器MCP2510，同时在工作中还能够对CAN协议模块进行调度，完成MCU与CAN总线之间的数据传输。

本系统采用的CAN驱动器是PCA82C251，该驱动器主要是作为物理总线和CAN控制器之间的接口，能够为CAN总线提供差动发送能力并为CAN控制器提供差动接收能力。本系统采用的驱动器具有很好的总线传输速率，最高传输速率可达1 Mb/s，并且能够为总线提供瞬时保护能力，具有较强的抗干扰能力。

1.2.3 CAN总线控制电路

CAN总线网络接口模块是实现传感器节点和网络无缝连接的关键位置，该系统采用网络接口模块扩展的CAN控制模块，直接将传感器节点接入CAN总线网络。其中总线控制电路如图5所示。CAN总线控制模块MCP2510通过SPI总线与微处理器相连接，同时在CAN控制器和总线驱动模块之间加入光电隔离电路，这样一来就大大增强了网络的抗干扰能力。其中CAN控制器硬件电路用来实现CAN通信协议，也就是说微处理器不直接参与CAN通信协议的处理，从而为称重传感器的数据处理提供更多的系统资源。

2 软件设计

在CAN通信网络系统中，每个传感器对应节点的软件和硬件是一样的，本系统设计的节点软件主要由CAN通信软件、应用层协议软件、数据管理中心（微处理器RAM中的分配表）组成。称重传感器节点程序设计主要实现两个目的：保证CAN总线最大传输速率；保证采样数据的完整性。

该称重传感器网络节点适用于车载系统，榱耸菇诘愕墓δ芨加直接明了，软件流程也应清晰，本系统的软件流程如图6所示。

当传感器网络系统上电后，需要对MCU和SJA1050进行复位，只有复位后才能进行MCU自身和SJA1050的初始化。随后，对称重传感器网络中的控制器节点和传感器节点设计不同的程序，控制器节点负责从CAN总线上接收信号，称重传感器节点则向CAN总线发送信号，从而实现整个传感器网络系统的运行与测试。

3 结 语

本文根据需要设计了基于CAN总线的高精度承重传感器的节点通信系统，以C8051F550作为主控器，采用模拟数字电路实现了硬件系统的搭建，基于CAN总线通信电路，设计了软件系统，并进行了多节点主从模式通信实验，发现基于CAN总线网络技术和现场控制技术的承重传感器网络节点的设计硬件电路简单、稳定性高；在多节点网络中传感器的增加不会影响系统体积，并简化了线路布局。采用具有强大数据处理能力的A/D转换器大大降低了系统主机的负担，同时也增大了系统扩展的灵活性。因此，具有重要的应用价值。

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