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基于CAN总线的智能薄膜压力变送器总体方案设计

发布时间:2017-6-19??????发布人:泽天传感??????点击:

一、主要技术指标

量程:0-60Mpa;输出:4-20mA模拟量输出与CAN总线数字量输出;供电电源:24VDC;对外接口:5线制;通信距离:50-100m;通信速率:125Kbps,250Kbps,500Kbps可调。非线性:0.1%FS;准确度:0.2% FS;零点漂移:0.01%FS/h;频率响应:>=1000Hz(随机试验)。

二、总体设计框图

图1 CAN总线智能薄膜压力变送器总体设计框图

三、原理先容

四臂差动全桥在外部恒压源(或恒流源)供电的条件下,感受外部压力,输出一微弱电压信号。该电压信号与压力成近似线性关系。传感器信号调理芯片给电桥提供激励源(恒压源或恒流源),对电桥输出的电压信号进行差分放大,A/D转换,在数字域对传感器信号进行零点偏移调整,温漂补偿,非线性校正。并将校正之后的数字信号进行D/A转换输出一电压信号或电流信号。另外,信号调理芯片也将校正之后的数字信号通过IIC接口以数字量的形式输出。在这里信号调理芯片被设置成电压输出,输出的0-5V信号由XTR110转换为4-20mA信号。利用单片机P87C591的IIC接口将信号调理芯片输出的校准压力数字信号接收,并打包封装成CAN数据帧,从自带的CAN控制器接口将数据发送给CAN总线收发器TJA1050。为防止总线干扰信号影响单片机的正确运行,在数据传输给TJA1050之前必需进行电气隔离。电气隔离由ADuM1201和B0505S来完成。

四、关键因素、难点及解决方案

①、对于同一个压力信号既要求4-20mA模拟量输出,又要求CAN总线数字量输出,且两者一一对应。

措施:采用传感器信号调理芯片。该芯片内部的数字校准处理器能够补赏传感器偏移、灵敏度、温漂和非线型性,还能输出校准之后的模拟信号以及与之对应的数字信号。

②、此变送器对外的接口是5线制(+24V,GND,CANH ,CANL,4-20mA),因此压力模拟信号只能采用3线制的4-20mA输出形式,而信号调理芯片的电流输出只能采用2线制环路。

措施:将信号调理芯片的输出设置为0-5V电压信号,然后采用XTR110将0-5V电压转换为3线制的4-20mA电流输出。

③、CAN总线数据通信速率要随具体通信距离进行适当调整。

措施;在电路板上设置跳线,供用户根据实际使用环境进行设置。单片机根据用户的设置来修改CAN总线的位定时寄存器,从而达到更改通信速率的目的。

④、产品的电磁兼容性满足GJB150A,CAN总线易受到外部的电磁干扰。

措施:电源隔离,CAN总线收发器TJA1050 与CAN总线的接口部分采用一定的安全和抗干扰措施,TJA1050 的CANH 和CANL 引脚各自通过一个5omh的电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护TJA1050 免受过流的冲击,CANH 和CANL 与地之间并联了两个30P 的小电容可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管,当CAN总线有较高的负电压时通过二极管短路可起到一定的过压保护作。在CAN总线两端各接一个120omh的匹配电阻,减小总线上的电流反射。在两根CAN总线接入端之间并入了5.6V的TVS管,当CAN总线窜入电压干扰时可通过TVS管短路起到一定的过压保护作用。为了减小现场对节点的干扰,要求采用屏蔽双绞线。

五、关键元件选型

传感器:采用的js金沙所有网址芯体,4mA恒流源供电时输出900mV;精度为0.25%FS,如传感器量程用于0~50%FS范围,精度可改善2到4倍。选用传感器信号调理芯片适用于的桥式传感器(输入信号范围1~~275mV/V);内部的数字校准处理器能够补赏传感器零点偏移、灵敏度、温漂和非线性,还能输出校准之后的模拟信号以及与之对应的数字信号。工作温度:-40℃~125℃。

电压转电流:选用XTR110,可选的输入/输出范围。通过少量的外部元件配置可以使其完成0-5V输入,4-20mA输出。最大的非线性为0.005%。宽供电电压13.5-40V,16管脚贴片封装。最宽工作温度为-55℃~125℃。

单片机:选用Philips生产的P87C591(OTP),该芯片具有80C51内核,集成了CAN控制器,IIC接口,看门狗。内部带有16KB的程序存储器,程序存储器可外扩到64KB。指令周期500ns@12MHz,工作温度-40℃~85℃。

CAN隔离器件:选用AD企业的ADuM1201,8脚封装两通道双向隔离传输。最高数据速率可达20Mbps。隔离电压为2500Vrms(持续1分钟)。5V供电,0-2Mbps时,每个通道的电流消耗为1.1mA。工作温度-40℃-105℃

CAN收发器:philips生产的TJA1050,符合ISO11898标准,低的电磁辐射能力,它提供差分收发功能,负责连接CAN控制器和CAN物理总线,最高速率可达1Mbps。工作温度-40℃-+125℃

六、验证用主控制器方案

为验证智能薄膜压力变送器的功能及性能指标,必须设计一主控制器和多个变送器进行单向(必要时增加双向)CAN总线通讯,并将4-20mA模拟量转换为数字量,将每个变送器节点的压力值显示出来。这个主控制器必须具备CAN总线通信、模数转换、压力值显示、能与PC通信等功能。为方便现场调试,这个控制器必须体积小、携带方便的特点。

大家研究的重点是智能变送器单元,为保证项目进度,液晶显示将作为可选部分。整个系统采用开关电源为总线上各个节点提供+24V电源。

CAN总线收发器、隔离器件、电源隔离模块的选择和压力变送器节点相同。单片微处理器选择atmel企业的T89C51CC02,该芯片采用51内核,256字节的RAM,256字节XRAM,16KB的在片flash。2KB的在片启动flash,支撑ISP和IAP,一个全双工的UART,3个16位定时计数器、21bits的看门狗定时器、10位的A/D转换器、全功能的CAN控制器。供电电压3V-5.5V。工作温度-40℃~+85℃。

图2 CAN总线调试用控制器框图

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