智能傳感器的CAN總線接口設(shè)計(jì)

摘要：為使傳感器可即插即用于CAN的測(cè)控系統(tǒng)，以混合信號(hào)微處理器C8051F041為核心，構(gòu)建可嵌入傳感器的智能轉(zhuǎn)換接口，將傳感器輸出信息轉(zhuǎn)換為CAN總線上的報(bào)文信息；針對(duì)大多數(shù)模擬傳感器輸出信號(hào)較弱的特點(diǎn)，C8051F041結(jié)合AD623等模擬電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行必要的濾波、程控放大、零點(diǎn)校準(zhǔn)、A／D變換，并由其內(nèi)部集成的CAN控制器轉(zhuǎn)換為CAN報(bào)文信息，通過(guò)外接的CAN驅(qū)動(dòng)器CTM8251T最終接入CAN總線；CAN控制器使該傳感器成為一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，通過(guò)定義CAN應(yīng)用層協(xié)議，使傳感器插入后立即以較低優(yōu)先級(jí)傳送傳感器電子數(shù)據(jù)表單，接收必要的參數(shù)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)傳感器即插即用。
關(guān)鍵詞：CAN智能接口；CAN通信協(xié)議；C8051F041；CAN控制器；CAN收發(fā)器

引言
    測(cè)控系統(tǒng)離不開(kāi)傳感器。由于各種傳感器的工作原理不同，其最終輸出的電量形式各不相同。即使同一類傳感器，其靈敏度、測(cè)量范圍不同，相同電信號(hào)代表的物理量也不盡相同。因此，傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)，必須對(duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)傳感器進(jìn)行配置，傳感器類型、靈敏度、測(cè)量范圍等的細(xì)微改變都將導(dǎo)致系統(tǒng)(主要是軟件和部分硬件)的重新設(shè)置。若要增／減傳感器，以改變測(cè)控系統(tǒng)的規(guī)模，則需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)(軟件、硬件及布線)。進(jìn)行重新配置。這無(wú)疑極大地限制了測(cè)控系統(tǒng)的靈活性，制約了測(cè)控系統(tǒng)的擴(kuò)展性。CAN的通信硬件接口簡(jiǎn)單，通信線少，通信介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜或者光纜。將測(cè)控系統(tǒng)配置為CAN總線結(jié)構(gòu)，將目前廣泛應(yīng)用的各種模擬傳感器，配以CAN總線接口，使之成為CAN總線上的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，即易于實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用，也提高了測(cè)控系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

1 傳感器／CAN智能接口系統(tǒng)構(gòu)成
    傳感器／CAN智能接口的作用主要有兩點(diǎn)：一是控制傳感器的信號(hào)調(diào)理，將傳感器的輸出模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，形成可發(fā)送的CAN報(bào)文信息；二是控制CAN驅(qū)動(dòng)器，收／發(fā) CAN總線上的報(bào)文信息，并執(zhí)行相應(yīng)的智能控制。智能接口系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

    針對(duì)大多數(shù)模擬傳感器輸出信號(hào)較弱的特點(diǎn)，接口首先對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大和濾波的預(yù)處理，預(yù)處理后的傳感器信號(hào)幅度在200 mV左右，單端輸出。此后對(duì)該信號(hào)的處理完全由基于SOC技術(shù)的混合信號(hào)微處理器C8051F041自動(dòng)完成，如信號(hào)的程控放大、信號(hào)的零點(diǎn)校準(zhǔn)、信號(hào)的A／D變換、信號(hào)的數(shù)字濾波以及CAN報(bào)文的形成和收發(fā)控制等；C8051F041是該接口的核心，它不僅完成傳感器信號(hào)到CAN報(bào)文的轉(zhuǎn)換；更通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)調(diào)理的智能控制和對(duì)CAN應(yīng)用層的編程，實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用。

2 傳感器信號(hào)調(diào)理
    考慮到絕大多數(shù)傳感器信號(hào)較弱，且包含大量的噪聲信號(hào)，因此需首先對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理，信號(hào)調(diào)理由信號(hào)預(yù)處理電路結(jié)合S0c中的模擬外設(shè)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。在此，信號(hào)調(diào)理主要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了必要的濾波、放大和零點(diǎn)校準(zhǔn)。

2．1 傳感器信號(hào)的濾波處理
    考慮到日益惡劣的電磁干擾環(huán)境，對(duì)傳感器信號(hào)的濾波分兩級(jí)實(shí)現(xiàn)：終級(jí)為利用SoC中的高速M(fèi)CU對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波(不在此討論)；初級(jí)則是由信號(hào)預(yù)處理電路中R1、R2、C1、C2、C3，組成抗射頻干擾濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。當(dāng)不考慮C3時(shí)，R1、C1和R2、C2就構(gòu)成了傳感器兩輸出端至儀用放大器兩輸入端之間的兩低通濾波器，時(shí)間常數(shù)t1=R1·C1；t2=R2·C2。由于無(wú)論是傳感器至AD623之間的自然連線等效形成的t1和t2，還是人為設(shè)計(jì)的低通濾波器的t1和t2，都不能使RC完全匹配相等，即t1≠t2；△t=t1-t2≠0。這樣耦合到兩根連線上的干擾電磁波，即使是同頻、同相位、同幅值的共模信號(hào)，進(jìn)入AD623進(jìn)行放大時(shí)也必然出現(xiàn)相位差，并由此導(dǎo)致兩輸入端之間的幅值差。當(dāng)干擾信號(hào)頻率較低時(shí)，由于△t相對(duì)干擾信號(hào)的周期較小，造成的兩輸入端之間的幅值差，相對(duì)共模部分很小，利用AD623的共模抑制能力，能對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行較好地抑制(共模部分被抑制，差分部分影響較小)；但當(dāng)干擾信號(hào)頻率較高時(shí)，則△t相對(duì)干擾信號(hào)的周期較大，極端情況如兩路信號(hào)相位差180°時(shí)，則同頻、同相位、同幅值的共模干擾信號(hào)，進(jìn)入AD623時(shí)被合成為兩倍幅值的同頻差分信號(hào)，該差分信號(hào)不僅不能被抑制，還被放大器放大，即被混疊到有效信號(hào)中，難以消除。為此，在兩低通濾波器之間跨接了電容C3，這樣該濾波器的差分帶寬為：
   
    其中：R=R1=R2，C=C1=C2。
    比較(1)(2)兩式可以看出，當(dāng)不接入C3時(shí)，濾波器的差分帶寬等于共模帶寬。因此，在帶寬范圍內(nèi)的共模信號(hào)，因RC不完全匹配(△t≠ 0)引起的幅值差，在帶寬范圍內(nèi)，濾波器不能將其濾除。當(dāng)接入C3后，如果使C3=10C，則差分帶寬比共模帶寬降低了20余倍，因此可大量濾除因RC不匹配引起的差分信號(hào)。
2．2 傳感器信號(hào)的放大
    對(duì)傳感器信號(hào)采用兩級(jí)放大。第一級(jí)用信號(hào)預(yù)處理電路中的儀用放大器AD623，進(jìn)行固定增益的信號(hào)放大，增益G=100 kΩ／R3+1?？筛鶕?jù)傳感器信號(hào)大小，選擇增益(通過(guò)選取R3阻值獲得)，使通過(guò)一級(jí)放大后的傳感器額定輸出信號(hào)達(dá)到200 mV左右。第二級(jí)放大，用SOC中的程控放大器(PGA)實(shí)現(xiàn)；其可編程增益為0．5、1、2、4、8、16。理論上使一級(jí)放大后的傳感器額定輸出信號(hào)Vg1×16(二級(jí)放大最大增益)近似等于ADC的參考電壓(實(shí)際應(yīng)用中一般為2／3～3／4參考電壓)，從而最有效地利用ADC的分辨率。
2．3 傳感器信號(hào)零點(diǎn)的補(bǔ)償與校準(zhǔn)
2．3．1 根據(jù)傳感器特性的補(bǔ)償
    傳感器在工況條件發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)有相應(yīng)的變化，該輸出信號(hào)的變化與被測(cè)物理量無(wú)關(guān)，即為漂移信號(hào)。當(dāng)傳感器給出相應(yīng)的特性值時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)檢測(cè)該工況條件的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的工況條件，利用MCU求得補(bǔ)償量，進(jìn)行補(bǔ)償。導(dǎo)致傳感器零點(diǎn)漂移最常見(jiàn)的特性之一，是溫度特性，為補(bǔ)償因溫度變化引起的漂移，特選用了內(nèi)含溫度傳感器的SoC——C8051F041。由于該接口嵌入傳感器中，因此其檢測(cè)到的溫度變化△t就是傳感器的溫度變化，若已知傳感器的溫度系數(shù)為aT(1／℃)，則補(bǔ)償量VTR為：
   
    其中YFS為傳感器的額定輸出。將該補(bǔ)償量疊加到傳感器信號(hào)中，即可消除溫漂的影響。
2．3．2 根據(jù)傳感器應(yīng)用特征的補(bǔ)償
    傳感器零點(diǎn)信號(hào)的漂移，變化是非常緩慢的，在一段時(shí)間內(nèi)的漂移量很小。當(dāng)傳感器工作于間歇方式且被測(cè)物理量的閾值遠(yuǎn)大于傳感器一個(gè)工作周期內(nèi)的漂移量時(shí)，則當(dāng)傳感器輸出信號(hào)小于該閾值時(shí)，該輸出值即為補(bǔ)償量，與傳感器信號(hào)疊加后使輸出信號(hào)為零。
    為使傳感器信號(hào)與補(bǔ)償量疊加，利用SOC中的12位DAC(如圖2所示)輸出一補(bǔ)償電壓VB接一級(jí)放大器AD623的參考端(引腳5)，則一級(jí)放大器輸出電壓Vout：
   
    其中Vc為傳感器輸出的差分電壓信號(hào)’b1為一級(jí)放大器增益。
    當(dāng)需進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，使VB=VB0+VTB×b1，其中VBO為當(dāng)前(補(bǔ)償前)的VB。將(3)式代入則有：
   
    從(6)式中的第2項(xiàng)可見(jiàn)，含有溫度漂移的傳感器輸出信號(hào)Vc被修正，溫漂被補(bǔ)償，零點(diǎn)被校準(zhǔn)。
    當(dāng)傳感器工作于間歇方式，溫度補(bǔ)償后二級(jí)放大后輸出為V=Vout×b2。當(dāng)V小于被測(cè)物理量的閾值時(shí)，V即為補(bǔ)償量-V，使
   
    其中b2為二級(jí)放大器選擇的增益，顯然再經(jīng)二級(jí)放大后的輸出將為0，即零漂被補(bǔ)償了，零點(diǎn)被自動(dòng)校準(zhǔn)了。
    當(dāng)傳感器工作于非間歇方式，或被測(cè)物理量的閾值很小，與一個(gè)工作周期內(nèi)的漂移量相當(dāng)時(shí)，則需采用人為的零點(diǎn)校準(zhǔn)。即當(dāng)傳感器處于零點(diǎn)時(shí)，發(fā)出校準(zhǔn)指令，收到指令后，MCU立即將當(dāng)前二級(jí)放大后的電壓值V，通過(guò)(7)式疊加到信號(hào)中，使輸出為零，零點(diǎn)被校準(zhǔn)。

3 信號(hào)的A／D變換及定標(biāo)
    CAN總線上傳送的信息為數(shù)字量，為此，選用SoC內(nèi)部的具有12位分辨率、最高轉(zhuǎn)換速度達(dá)到100 ksps的SAR ADC0，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(參見(jiàn)圖2)。該ADC的工作方式與啟動(dòng)方式，將在傳感器接入系統(tǒng)后，由主機(jī)確定。
    定標(biāo)系數(shù)可通過(guò)標(biāo)定傳感器獲得，即將加載到傳感器上的已知被測(cè)物理量A，除以此時(shí)采集到的數(shù)字量N，即定標(biāo)系數(shù)為A／N；也可通過(guò)傳感器的靈敏度、放大器的增益、ADC的分辨率及參考電壓計(jì)算獲得，但這樣得到的定標(biāo)系數(shù)精度稍差。與定標(biāo)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的物理量綱，則在傳感器接入CAN總線時(shí)，通過(guò)向系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送的電子數(shù)據(jù)表單(Transducer Electronic Data sheet，TEDs)，告知系統(tǒng)主機(jī)；從而系統(tǒng)主機(jī)收到某傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)字量，就是具有特定物理量綱的被測(cè)物理量實(shí)際數(shù)值。這樣做，第一可減少主機(jī)的運(yùn)算工作量；第二也降低了TEDs的復(fù)雜度(只需約定物理量綱，而無(wú)需傳送定標(biāo)系數(shù)等)；第三使接口可靈活地根據(jù)傳感器信號(hào)幅度選擇適當(dāng)?shù)脑鲆?，提高小信?hào)的分辨率，此時(shí)接口只需自行改變相應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)即可，無(wú)需與主機(jī)交互變換定標(biāo)系數(shù)。

4 CAN應(yīng)用層協(xié)議
    智能接口利用SoC內(nèi)嵌的CAN協(xié)議控制器外加CAN驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文的收發(fā)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。內(nèi)嵌的Silicon Labs CAN協(xié)議控制器，符合Bosch規(guī)范2．0A(基本CAN)和2．0B(全功能CAN)。該CAN控制器包含一個(gè)CAN控制器核、消息RAM(獨(dú)立于CIP-51的RAM)、消息處理器和控制寄存器；由于該協(xié)議控制器不提供物理層的驅(qū)動(dòng)，為此，外接了一個(gè)CAN收發(fā)器CTM8251T，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平。

    為實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用，需對(duì)收發(fā)的CAN報(bào)文內(nèi)容與格式進(jìn)行一定的約定，即在CAN應(yīng)用層上制定相應(yīng)的協(xié)議，以保證測(cè)控系統(tǒng)的即插即用。
4．1 發(fā)送報(bào)文的協(xié)議
    由圖3可見(jiàn)，該SoC內(nèi)嵌的消息RAM可保存32個(gè)消息對(duì)象。協(xié)議將其中的3個(gè)消息對(duì)象配置為下面介紹的發(fā)送消息對(duì)象。
4．1．1 發(fā)送電子數(shù)據(jù)表單
    傳感器初次接人系統(tǒng)時(shí)，須首先向主機(jī)申請(qǐng)加入——申請(qǐng)從機(jī)ID標(biāo)識(shí)。申請(qǐng)辦法是：傳感器一接入系統(tǒng)，立即發(fā)送其第1條消息對(duì)象，發(fā)送的報(bào)文為一數(shù)據(jù)幀，其仲裁域的ID是系統(tǒng)特別約定的“申請(qǐng)ID”。約定：系統(tǒng)中僅主機(jī)對(duì)申請(qǐng)ID作出反應(yīng)，即通過(guò)讀取該數(shù)據(jù)幀的8字節(jié)數(shù)據(jù)(該傳感器的電子數(shù)據(jù)表單——TEDs)，了解該傳感器的類型、特性、編號(hào)、物理量綱及數(shù)據(jù)特征。主機(jī)比較／記錄該數(shù)據(jù)項(xiàng)，并根據(jù)其TEDs中類型、特性項(xiàng)，結(jié)合系統(tǒng)要求，確定其諸如采樣方式、采樣周期、是否數(shù)字濾波、濾波方式、數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度等，并分配給其相應(yīng)的從機(jī)“標(biāo)識(shí)ID”和啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換的“啟動(dòng)ID”。傳感器TEDs中的編號(hào)項(xiàng)，用于區(qū)分系統(tǒng)中類型、特性相同的傳感器；物理量綱項(xiàng)，用于告知主機(jī)該傳感器所傳數(shù)據(jù)的實(shí)際物理單位，也表征了該被測(cè)物理量數(shù)值的實(shí)際大?。粩?shù)據(jù)特征項(xiàng)，用于表征所傳16位數(shù)據(jù)的特征(BCD碼、二進(jìn)制整數(shù)、二進(jìn)制小數(shù)、小數(shù)點(diǎn)位置等)。
    申請(qǐng)ID，一般可約定采用CAN系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)較低的ID，確定后，系統(tǒng)主機(jī)將不再將此ID分配給任何CAN節(jié)點(diǎn)。
4．1．2 發(fā)送配置／管理申請(qǐng)
    傳感器可獲得主機(jī)分配的2個(gè)從機(jī)標(biāo)識(shí)ID，分別為“標(biāo)識(shí)1ID”和“標(biāo)識(shí)0ID”。用標(biāo)識(shí)1ID配置第2條發(fā)送消息對(duì)象，該消息對(duì)象將成為與主機(jī)交互的發(fā)送接口，用于向主機(jī)申請(qǐng)各種各樣的配置／管理要求。但當(dāng)傳感器由于某些原因需要重新接入系統(tǒng)時(shí)，仍需用第1條發(fā)送消息對(duì)象向主機(jī)申請(qǐng)加入。
4．1．3 發(fā)送數(shù)據(jù)
    由于物理接口方面的原因，目前CAN網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大約在110個(gè)節(jié)點(diǎn)左右，即使BasicCAN也有11位的ID標(biāo)識(shí)，所能標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)超當(dāng)前所能使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)，只是11位ID的最低3位不參與報(bào)文濾波。為此，規(guī)定：主機(jī)分配給節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)從機(jī)標(biāo)識(shí)ID，其前10位相同，最低位為1即標(biāo)識(shí)1 ID，用于配置第2條發(fā)送消息對(duì)象，該消息對(duì)象為與主機(jī)進(jìn)行常規(guī)交互的發(fā)送接口，如上所述；最低位為0即從機(jī)標(biāo)識(shí)0ID，用于配置第3條發(fā)送消息對(duì)象，該消息對(duì)象用于上傳節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。
4．2 接收?qǐng)?bào)文的協(xié)議
    協(xié)議要求配置3個(gè)接收消息對(duì)象，作用分別為：
    ①濾波接收用本節(jié)點(diǎn)“申請(qǐng)ID”發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀。傳感器接入系統(tǒng)后，首先用申請(qǐng)ID發(fā)送傳感器電子數(shù)據(jù)表單，主機(jī)用同樣的ID回復(fù)一數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀包含有分配給傳感器的標(biāo)識(shí)ID、啟動(dòng)ADC的啟動(dòng)ID及對(duì)該節(jié)點(diǎn)的基本配置要求。CAN控制器配置的第1條接收消息對(duì)象，即用來(lái)濾波接收該數(shù)據(jù)幀。
    ②濾波接收用本節(jié)點(diǎn)“標(biāo)識(shí)ID”發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)需要對(duì)傳感器進(jìn)一步進(jìn)行配置管理時(shí)，用第2條發(fā)送消息對(duì)象，向主機(jī)發(fā)送配置／管理申請(qǐng)，主機(jī)將使用相同的ID(該從機(jī)的標(biāo)識(shí)ID)，回復(fù)對(duì)其的配置／管理指令(位于該報(bào)文數(shù)據(jù)域)。為此，需配置第2條接收消息對(duì)象，濾波接收用本從機(jī)標(biāo)識(shí)ID發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。
    ③濾波接收用本節(jié)點(diǎn)“啟動(dòng)ID”發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀。用啟動(dòng)ID配置第3條接收消息對(duì)象，即該消息對(duì)象能實(shí)現(xiàn)對(duì)該“啟動(dòng)ID”的濾波。

結(jié)語(yǔ)
    基于SOC技術(shù)的C8051F041的使用，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)成，最大限度地減小了接口板的尺寸，使其更易于嵌入傳感器中。由MCU控制的信號(hào)調(diào)理、零點(diǎn)校準(zhǔn)及信息的定標(biāo)轉(zhuǎn)換，使傳感器成為CAN總線上的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，從而可充分利用CAN總線的各種技術(shù)優(yōu)勢(shì)。再通過(guò)設(shè)計(jì)一套比較完備的應(yīng)用層協(xié)議，最終實(shí)現(xiàn)了傳感器的即插即用。