智能传感器的CAN总线接口设计

摘要：为使传感器可即插即用于CAN的测控系统，以混合信号微处理器C8051F041为核心，构建可嵌入传感器的智能转换接口，将传感器输出信息转换为CAN总线上的报文信息；针对大多数模拟传感器输出信号较弱的特点，C8051F041结合AD623等模拟电路对传感器信号进行必要的滤波、程控放大、零点校准、A／D变换，并由其内部集成的CAN控制器转换为CAN报文信息，通过外接的CAN驱动器CTM8251T最终接入CAN总线；CAN控制器使该传感器成为一个CAN节点，通过定义CAN应用层协议，使传感器插入后立即以较低优先级传送传感器电子数据表单，接收必要的参数设定，从而实现传感器即插即用。
关键词：CAN智能接口；CAN通信协议；C8051F041；CAN控制器；CAN收发器

引言
    测控系统离不开传感器。由于各种传感器的工作原理不同，其最终输出的电量形式各不相同。即使同一类传感器，其灵敏度、测量范围不同，相同电信号代表的物理量也不尽相同。因此，传统的测控系统，必须对系统中的每一个传感器进行配置，传感器类型、灵敏度、测量范围等的细微改变都将导致系统(主要是软件和部分硬件)的重新设置。若要增／减传感器，以改变测控系统的规模，则需对整个系统(软件、硬件及布线)。进行重新配置。这无疑极大地限制了测控系统的灵活性，制约了测控系统的扩展性。CAN的通信硬件接口简单，通信线少，通信介质可以为双绞线、同轴电缆或者光缆。将测控系统配置为CAN总线结构，将目前广泛应用的各种模拟传感器，配以CAN总线接口，使之成为CAN总线上的一个智能节点，即易于实现传感器的即插即用，也提高了测控系统的灵活性和可扩展性。

1 传感器／CAN智能接口系统构成
    传感器／CAN智能接口的作用主要有两点：一是控制传感器的信号调理，将传感器的输出模拟信号转换为数字量，并进行相应的处理，形成可发送的CAN报文信息；二是控制CAN驱动器，收／发 CAN总线上的报文信息，并执行相应的智能控制。智能接口系统构成如图1所示。

    针对大多数模拟传感器输出信号较弱的特点，接口首先对传感器信号进行一级放大和滤波的预处理，预处理后的传感器信号幅度在200 mV左右，单端输出。此后对该信号的处理完全由基于SOC技术的混合信号微处理器C8051F041自动完成，如信号的程控放大、信号的零点校准、信号的A／D变换、信号的数字滤波以及CAN报文的形成和收发控制等；C8051F041是该接口的核心，它不仅完成传感器信号到CAN报文的转换；更通过对传感器信号调理的智能控制和对CAN应用层的编程，实现传感器的即插即用。

2 传感器信号调理
    考虑到绝大多数传感器信号较弱，且包含大量的噪声信号，因此需首先对传感器输出的模拟信号进行必要的调理，信号调理由信号预处理电路结合S0c中的模拟外设实现，如图2所示。在此，信号调理主要对传感器信号进行了必要的滤波、放大和零点校准。

2．1 传感器信号的滤波处理
    考虑到日益恶劣的电磁干扰环境，对传感器信号的滤波分两级实现：终级为利用SoC中的高速MCU对采集的信号进行数字滤波(不在此讨论)；初级则是由信号预处理电路中R1、R2、C1、C2、C3，组成抗射频干扰滤波器来实现，如图2所示。当不考虑C3时，R1、C1和R2、C2就构成了传感器两输出端至仪用放大器两输入端之间的两低通滤波器，时间常数t1=R1·C1；t2=R2·C2。由于无论是传感器至AD623之间的自然连线等效形成的t1和t2，还是人为设计的低通滤波器的t1和t2，都不能使RC完全匹配相等，即t1≠t2；△t=t1-t2≠0。这样耦合到两根连线上的干扰电磁波，即使是同频、同相位、同幅值的共模信号，进入AD623进行放大时也必然出现相位差，并由此导致两输入端之间的幅值差。当干扰信号频率较低时，由于△t相对干扰信号的周期较小，造成的两输入端之间的幅值差，相对共模部分很小，利用AD623的共模抑制能力，能对干扰信号进行较好地抑制(共模部分被抑制，差分部分影响较小)；但当干扰信号频率较高时，则△t相对干扰信号的周期较大，极端情况如两路信号相位差180°时，则同频、同相位、同幅值的共模干扰信号，进入AD623时被合成为两倍幅值的同频差分信号，该差分信号不仅不能被抑制，还被放大器放大，即被混叠到有效信号中，难以消除。为此，在两低通滤波器之间跨接了电容C3，这样该滤波器的差分带宽为：
   
    其中：R=R1=R2，C=C1=C2。
    比较(1)(2)两式可以看出，当不接入C3时，滤波器的差分带宽等于共模带宽。因此，在带宽范围内的共模信号，因RC不完全匹配(△t≠ 0)引起的幅值差，在带宽范围内，滤波器不能将其滤除。当接入C3后，如果使C3=10C，则差分带宽比共模带宽降低了20余倍，因此可大量滤除因RC不匹配引起的差分信号。
2．2 传感器信号的放大
    对传感器信号采用两级放大。第一级用信号预处理电路中的仪用放大器AD623，进行固定增益的信号放大，增益G=100 kΩ／R3+1。可根据传感器信号大小，选择增益(通过选取R3阻值获得)，使通过一级放大后的传感器额定输出信号达到200 mV左右。第二级放大，用SOC中的程控放大器(PGA)实现；其可编程增益为0．5、1、2、4、8、16。理论上使一级放大后的传感器额定输出信号Vg1×16(二级放大最大增益)近似等于ADC的参考电压(实际应用中一般为2／3～3／4参考电压)，从而最有效地利用ADC的分辨率。
2．3 传感器信号零点的补偿与校准
2．3．1 根据传感器特性的补偿
    传感器在工况条件发生变化时，输出信号会有相应的变化，该输出信号的变化与被测物理量无关，即为漂移信号。当传感器给出相应的特性值时，应设计检测该工况条件的传感器，实时监测传感器的工况条件，利用MCU求得补偿量，进行补偿。导致传感器零点漂移最常见的特性之一，是温度特性，为补偿因温度变化引起的漂移，特选用了内含温度传感器的SoC——C8051F041。由于该接口嵌入传感器中，因此其检测到的温度变化△t就是传感器的温度变化，若已知传感器的温度系数为aT(1／℃)，则补偿量VTR为：
   
    其中YFS为传感器的额定输出。将该补偿量叠加到传感器信号中，即可消除温漂的影响。
2．3．2 根据传感器应用特征的补偿
    传感器零点信号的漂移，变化是非常缓慢的，在一段时间内的漂移量很小。当传感器工作于间歇方式且被测物理量的阈值远大于传感器一个工作周期内的漂移量时，则当传感器输出信号小于该阈值时，该输出值即为补偿量，与传感器信号叠加后使输出信号为零。
    为使传感器信号与补偿量叠加，利用SOC中的12位DAC(如图2所示)输出一补偿电压VB接一级放大器AD623的参考端(引脚5)，则一级放大器输出电压Vout：
   
    其中Vc为传感器输出的差分电压信号’b1为一级放大器增益。
    当需进行温度补偿时，使VB=VB0+VTB×b1，其中VBO为当前(补偿前)的VB。将(3)式代入则有：
   
    从(6)式中的第2项可见，含有温度漂移的传感器输出信号Vc被修正，温漂被补偿，零点被校准。
    当传感器工作于间歇方式，温度补偿后二级放大后输出为V=Vout×b2。当V小于被测物理量的阈值时，V即为补偿量-V，使
   
    其中b2为二级放大器选择的增益，显然再经二级放大后的输出将为0，即零漂被补偿了，零点被自动校准了。
    当传感器工作于非间歇方式，或被测物理量的阈值很小，与一个工作周期内的漂移量相当时，则需采用人为的零点校准。即当传感器处于零点时，发出校准指令，收到指令后，MCU立即将当前二级放大后的电压值V，通过(7)式叠加到信号中，使输出为零，零点被校准。

3 信号的A／D变换及定标
    CAN总线上传送的信息为数字量，为此，选用SoC内部的具有12位分辨率、最高转换速度达到100 ksps的SAR ADC0，将模拟量转换为数字量(参见图2)。该ADC的工作方式与启动方式，将在传感器接入系统后，由主机确定。
    定标系数可通过标定传感器获得，即将加载到传感器上的已知被测物理量A，除以此时采集到的数字量N，即定标系数为A／N；也可通过传感器的灵敏度、放大器的增益、ADC的分辨率及参考电压计算获得，但这样得到的定标系数精度稍差。与定标系数所对应的物理量纲，则在传感器接入CAN总线时，通过向系统主机发送的电子数据表单(Transducer Electronic Data sheet，TEDs)，告知系统主机；从而系统主机收到某传感器发来的数字量，就是具有特定物理量纲的被测物理量实际数值。这样做，第一可减少主机的运算工作量；第二也降低了TEDs的复杂度(只需约定物理量纲，而无需传送定标系数等)；第三使接口可灵活地根据传感器信号幅度选择适当的增益，提高小信号的分辨率，此时接口只需自行改变相应的定标系数即可，无需与主机交互变换定标系数。

4 CAN应用层协议
    智能接口利用SoC内嵌的CAN协议控制器外加CAN驱动器，实现CAN报文的收发，系统构成如图3所示。内嵌的Silicon Labs CAN协议控制器，符合Bosch规范2．0A(基本CAN)和2．0B(全功能CAN)。该CAN控制器包含一个CAN控制器核、消息RAM(独立于CIP-51的RAM)、消息处理器和控制寄存器；由于该协议控制器不提供物理层的驱动，为此，外接了一个CAN收发器CTM8251T，将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平。

    为实现传感器的即插即用，需对收发的CAN报文内容与格式进行一定的约定，即在CAN应用层上制定相应的协议，以保证测控系统的即插即用。
4．1 发送报文的协议
    由图3可见，该SoC内嵌的消息RAM可保存32个消息对象。协议将其中的3个消息对象配置为下面介绍的发送消息对象。
4．1．1 发送电子数据表单
    传感器初次接人系统时，须首先向主机申请加入——申请从机ID标识。申请办法是：传感器一接入系统，立即发送其第1条消息对象，发送的报文为一数据帧，其仲裁域的ID是系统特别约定的“申请ID”。约定：系统中仅主机对申请ID作出反应，即通过读取该数据帧的8字节数据(该传感器的电子数据表单——TEDs)，了解该传感器的类型、特性、编号、物理量纲及数据特征。主机比较／记录该数据项，并根据其TEDs中类型、特性项，结合系统要求，确定其诸如采样方式、采样周期、是否数字滤波、滤波方式、数据区长度等，并分配给其相应的从机“标识ID”和启动A／D转换的“启动ID”。传感器TEDs中的编号项，用于区分系统中类型、特性相同的传感器；物理量纲项，用于告知主机该传感器所传数据的实际物理单位，也表征了该被测物理量数值的实际大小；数据特征项，用于表征所传16位数据的特征(BCD码、二进制整数、二进制小数、小数点位置等)。
    申请ID，一般可约定采用CAN系统优先级较低的ID，确定后，系统主机将不再将此ID分配给任何CAN节点。
4．1．2 发送配置／管理申请
    传感器可获得主机分配的2个从机标识ID，分别为“标识1ID”和“标识0ID”。用标识1ID配置第2条发送消息对象，该消息对象将成为与主机交互的发送接口，用于向主机申请各种各样的配置／管理要求。但当传感器由于某些原因需要重新接入系统时，仍需用第1条发送消息对象向主机申请加入。
4．1．3 发送数据
    由于物理接口方面的原因，目前CAN网络的规模大约在110个节点左右，即使BasicCAN也有11位的ID标识，所能标识的节点数远超当前所能使用的节点数，只是11位ID的最低3位不参与报文滤波。为此，规定：主机分配给节点的两个从机标识ID，其前10位相同，最低位为1即标识1 ID，用于配置第2条发送消息对象，该消息对象为与主机进行常规交互的发送接口，如上所述；最低位为0即从机标识0ID，用于配置第3条发送消息对象，该消息对象用于上传节点数据。
4．2 接收报文的协议
    协议要求配置3个接收消息对象，作用分别为：
    ①滤波接收用本节点“申请ID”发来的数据帧。传感器接入系统后，首先用申请ID发送传感器电子数据表单，主机用同样的ID回复一数据帧，该数据帧包含有分配给传感器的标识ID、启动ADC的启动ID及对该节点的基本配置要求。CAN控制器配置的第1条接收消息对象，即用来滤波接收该数据帧。
    ②滤波接收用本节点“标识ID”发来的数据帧。当需要对传感器进一步进行配置管理时，用第2条发送消息对象，向主机发送配置／管理申请，主机将使用相同的ID(该从机的标识ID)，回复对其的配置／管理指令(位于该报文数据域)。为此，需配置第2条接收消息对象，滤波接收用本从机标识ID发送的数据帧。
    ③滤波接收用本节点“启动ID”发来的数据帧。用启动ID配置第3条接收消息对象，即该消息对象能实现对该“启动ID”的滤波。

结语
    基于SOC技术的C8051F041的使用，极大地简化了系统构成，最大限度地减小了接口板的尺寸，使其更易于嵌入传感器中。由MCU控制的信号调理、零点校准及信息的定标转换，使传感器成为CAN总线上的一个智能节点，从而可充分利用CAN总线的各种技术优势。再通过设计一套比较完备的应用层协议，最终实现了传感器的即插即用。