基于CAN总线的高精度数字压力变送器的设计

0引言

    压力传感器是工业现场最为常用的一种传感器，广泛应用于水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶机床、管道等各种工业控制环境。‘常见的压力传感器包括应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压电压力传感器、蓝宝石压力传感器等。目前，市场上大多数的压力变送器以模拟量输出为主，还有少部分是基于H art协议的智能压力变送器。而在当今测控领域中，儿乎全部采用数字化处理，用户需要先将模拟量转换成数字量[‘{。因此，在测量压力时，最少需要经过1次A/ D转换，甚至2次A/ D转换加1次D/ A转换，而A_模拟信号的传输过程中也会引入干扰和损失，即使精度再高的模数和数模转换都会导致较大的测量误差。而数字化的压力变送器可以省去模拟信号的传输和不必要的模数和数模转换。因此，本文将介绍一种数字压力变送器的设计，该压力变送器基于CA N总线[2{传输，测量精度较高。

1压力变送器硬件设计

    基于CAN总线的高精度数字压力变送器的原理框图如图1所示。该压力变送器主要包括压力信号测量与调理部分、数字处理部分、CAN总线传输部分。

型不锈钢压力芯体，它是采用微机械加工技术制造而成的硅压阻式压力传感器。传感器芯片[3{贴装于TO型基座上，并在膜片和传感芯片之问充有少量的硅油，硅油在膜片与压阻式传感器之问传递压力，最大输出信号为100 mV，内部输入阻抗典型为3 500 }。

    压力传感器的等效电路如图2所示。从图2可看出，压力传感器内部可以看成是一个惠斯通电桥，激励电源可以选择恒压源或恒流源，采用恒流源可以有效克服激励电源波动等干扰造成的测量误差。
当激励电流为1 mA时，压力传感器满量程输出为100 mV，因此，压力传感器的信号还需要放大处理。

      ADuC836是美国AD公司新推出的高性能单片机，它将8051内核、2路16位艺一OA/ D ,12位D/ A ,FLASH ,WDT ,IMP监控电路、内部基准电源,SPI和IZ C总线接口等资源集成在一起，构成一个可编程的、能够进行自校准的高精度模拟数据采集系统，具有体积小、功耗低等特点，非常适用于各类智能仪表、智能传感器、变送器和便携式仪器等领域。另外，它还采用闪速/电擦除存储器，并目_自带加载器和调试软件，使系统的设计、编程和调试更为简便。

    ADuC836有62 I} B的FLASH/EE程序存储器用来存储用户代码，4 I} B的FLASH/EE数据存
储器，2 304 B的RA M，因此，不需进行存储器扩展。用户代码可以经过UART串行口下载到存储
器，不需要额外的硬件支持。

    综上所述，通过1片A Duc836就可以完成压力信号的模数转换，压力数据数字化标定、校准功能及总线输出。

1.3   CAN总线传输部分

    本系统采用CAN现场总线代替传统的RS485总线。CA N总线的连结节点数多达110个，与
RS485总线最大不同是它具有总线仲裁功能，总线上的任意节点都可以随时主动发送信息目_能够有效避免多下位机同时上传时数据造成的冲突。一般CAN总线使用较短的帧结构，每帧传输占总线时问较短，最大传输速度可达1 M bit/ s。另外，当CAN总线上的某个节点出现严重错误时，能够自动关闭输出，使总线上的其它节点及通信不受影响，从而大大提高了系统的可靠性。

    CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信距离可达10 km,
性能远远优于RS485总线。它通常由CAN总线控制器和CAN总线驱动器2个部分构成。

    本文设计的压力变送器的CAN总线核心器件采用了CSM 1004{芯片。它内部集成完全电气隔离
的CAN- bus接口电路，采用全灌封工艺，具有很强的抗干扰能力，大大提高了系统在恶劣环境中使
用的可靠性，其主要功能是实现了UART一CAN之问的透明转换，用户不必深入了解CAN- bu、的
相关知识，利用该芯片操作CAN- bus就如同操作UART一样方便。图4为CSM 100的功能框图。

    从图4可看出，CSM 100只需串口就可与CPU通信，ADuC836只要正常操作串口就可以完成
CAN总线诵信功能.大大提高了产品开发谏度

2压力变送器系统设计

    由于ADuC836指令与8051兼容，故可以利用8051单片机的软件资源开发该压力变送器的软件程序;充分利用ADuC836提供的内部校准和系统校准功能，定时进行内部零位和满量程校准，解决了除传感器之外的漂移误差。

    该压力变送器还具有非常方便的在线标定校准功能，如图5所示，同时将多只压力变送器连接
同一个压力源，通过CAN总线与PC机相连，通过上位机软件可实现多只变送器同时标定校准。

    上位机同时记录标准压力值和被校表对应的电压值，经过温度补偿后，再通过CA N总线将标定分
别下载到压力变送器单片机的数据存储器中，完成标定工作。

3结语

    本文设计的基于CAN总线传输的数字压力变送器具有精度高、体积小集成度高、可靠性高、智能化、成本低等特点并具有在线标定校准和温度补偿功能，可用于不同的工业场合。