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基于CAN總線的礦用壓力傳感器的設(shè)計(jì)近年煤礦安全生產(chǎn)越來(lái)越 受到重視，減少煤礦事故和減少人員傷亡是煤礦生產(chǎn)的重要方面。提高煤礦安全監(jiān)控 系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性已經(jīng)迫在眉睫， 礦用壓力傳感器 作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，實(shí)時(shí)檢測(cè)井下巷道和管道內(nèi)的壓力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 隨著MEMS微機(jī)電技術(shù)和工藝的的土突飛猛進(jìn)， 壓力檢測(cè)元件已具有較高精度和極低的功耗，較小的體積和較低成本。 美國(guó)精量電子生產(chǎn)的壓力傳感器MEAS 1220采用電流恒流供電方式。 能夠檢測(cè)0～100PSI范圍的壓力， 滿量程輸出電壓為50mV，非線性度不超過(guò)0.1％。完全能夠滿足傳感器的設(shè)計(jì)要求。 目前的礦用傳感器中信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸主要采用頻率信號(hào)、485總線和CAN總線，CAN總線與頻率信號(hào)和485總線相比具有更大的優(yōu)勢(shì)和廣 泛的應(yīng)用前景。CAN 控制器工作于多主模式，RS485總線只能工作在主從模式：CAN總線節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能而不影響其他節(jié)點(diǎn)。 而RS485節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)總線短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)使總線鎖死 ：CAN總線節(jié)點(diǎn)可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)，具有較大的靈活性：CAN總線節(jié)點(diǎn)最多可設(shè)計(jì)達(dá)到110個(gè)。相對(duì)于RS485總線具有較大的優(yōu)勢(shì) ，文中選用CAN總線傳輸壓力傳感器的壓力信號(hào)。 設(shè)計(jì)中采用LPC1752作為控制的核心處理器，LPC1752是Cortext M3 內(nèi)核的處理器，是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的32位微處理器，適用于儀器儀表、工業(yè)通訊、電機(jī)控制、燈光控制、報(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域。 其 操作頻率高達(dá)120MHz。具有豐富的外設(shè)，4 個(gè)32位通用定時(shí)器、一個(gè)8通道12位ADC、5個(gè)UART 接口、2路CAN、3 個(gè)SSP接口、1個(gè)SPI接口、3個(gè)I2C 接 口、6 路通用PWM輸出、1個(gè)看門狗定時(shí)器以及一個(gè)獨(dú)立供電的超低功耗RTC等，使得LPC 1752能夠獨(dú)立完成對(duì)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的采集和處理， 滿足礦用壓力傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2 硬件電路各模塊的設(shè)計(jì)
圖2 控制核心原理圖
圖 3 電源原理框圖 （3）CAN總線模塊電路的設(shè)計(jì) CAN總線模塊電路主要有CAN總線收發(fā)器和信號(hào)隔離電路及瞬態(tài)抑制電路構(gòu)成。 CAN總線收發(fā)器采用PCA 82 l2 5 l，PCA82C25l 是 CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口芯片， 具有高達(dá)1M baud 的通信速率，支持最少110個(gè)節(jié)點(diǎn)， 具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，總線中的：點(diǎn)在掉電或者損壞時(shí)不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常通信。 LPC 1752的CAN總線控制器通過(guò)CANTD 和 CANRD引腳對(duì)CAN總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，為防止總線上的電壓波動(dòng) 高壓沖擊。本設(shè)計(jì)中采用隔離芯片6N137 將MCU和CAN總線隔離，6N I37的隔離電壓可以高達(dá)2500VAC，通信速率達(dá)10MBd， 完全可以達(dá)到保護(hù)MCU的性能要求和通信要求。PCA82C251的輸出端通過(guò)兩個(gè)可恢復(fù)保險(xiǎn)絲接人CAN總線，當(dāng)總線通過(guò)的電流過(guò)大時(shí)保險(xiǎn)絲處于高阻狀態(tài)．對(duì)PCA82C25l進(jìn)行保護(hù) 。 TVS管Dl和D2反向接入CANH和CANL總線之間。 當(dāng)CAN總線間的電壓出現(xiàn)瞬間沖擊時(shí)．TVS管被擊穿短路， 從而對(duì)CAN總線收發(fā)器進(jìn)行保護(hù)。提高了總線模塊電路的可靠性和穩(wěn)定性。 CAN總線的一端并接一只120歐的匹配電阻，用于提高總線的通信距離和穩(wěn)定性。 通信模塊電路如圖6所示 。
圖6 CAN總線傳輸模塊 3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 基于CAN總線的壓力傳感器軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化組態(tài)程序、壓力數(shù)據(jù)采集程序和CAN總線數(shù)據(jù)傳輸程序。初始化業(yè)務(wù)主要由LPC1752初始化業(yè)務(wù)和CAN總線初始化業(yè)務(wù)組成。 LPC1752通過(guò)d模塊實(shí)時(shí)采集壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)壓力數(shù)值超過(guò)設(shè)定的報(bào)警限值時(shí)，控制器開啟聲光報(bào)警功能，并通過(guò)CAN總線將壓力值傳送給采礦分站:當(dāng)LPC1752接收到CAN總線發(fā)回的讀取數(shù)據(jù)命令時(shí)。LPC1752將測(cè)量到的壓力數(shù)據(jù)值發(fā)送到CAN主線。CAN總線的配置主控是完成CAN總線收發(fā)數(shù)據(jù)的波特率、標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。整個(gè)軟件流程圖如圖7所示。 4結(jié)論 基于CAN總線的壓力傳感器設(shè)計(jì)能夠更好地檢測(cè)井下壓力數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)掌握井下壓力是否超標(biāo)的信息。通過(guò)CAN總線傳輸具有傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的RS485總線和頻率信號(hào)傳輸方式相比，CAN總線具有人節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)、通信可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于井下監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的搭建。通過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和老化實(shí)驗(yàn)，基于CAN總線的壓力傳感器對(duì)井下壓力具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，并能根據(jù)壓力變化準(zhǔn)確地進(jìn)行聲光報(bào)警。CAN干線傳輸距離超過(guò)5公里，傳感器運(yùn)行穩(wěn)定可靠。它可以滿足監(jiān)控系統(tǒng)中壓力傳感器的設(shè)計(jì)要求。 |
