基于CAN总线的传感器网络研究

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1、 基于CAN总线的传感器网络研究作者：任广禄摘 要 CAN总线作为当今几种最有前途的现场总线之一，它以其强有力的检错与抗干扰能力，应用范围已经遍及从高速网络到低成本的多线路网络。CAN属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的性能。因而CAN总线应用产品在很多领域中不断出现，基于CAN总线的振动传感器正是其中的一种，组网后的传感器能够很好的完成大型装置的在线监测，为企业的安全生产奠定了基础。本论文将CAN总线引入到在线监测系统中来，通过CAN总线网络的高速、稳定的特点，使得恶劣环境下的设备监测变得简单、安全。第一部分对CAN

2、总线规范进行了简单的介绍，提出了一类以多种带有CAN总线通信功能智能节点组成的振动在线监测系统。第二部分中详细阐述了单通道智能节点和多通道波形值智能节点的硬件设计，当中主要介绍了各个智能节点硬件电路中的调理模块、A/D模块、主控模块以及通信模块的设计方案，给出了整个网络的构架。第三部分为系统软件的设计，着重介绍了智能节点的下位机软件流程，通过对于CAN总线通信协议的介绍，改进得出一个适合于本系统使用的新的CAN通信协议。最后本论文对基于CAN总线的传感器网络进行了总结和展望。关键词：传感器；CAN总线；DSP；CPLD；网络ABSTRACT As one of todays most prom

3、ising fieldbus，CAN has strong anti-interference and Error detection ability and has been applicated around from the High-speed networks to low-cost multi-line network .Then there have been CAN bus Products in other areas .The vibration sensor based on CAN bus is one of a kind .Sensor network can go

4、well in online monitoring. This lays the foundation for safe production. The topic will introduces CAN bus to the online monitoring system. With CAN bus networks high-speed and stable characteristics，Equipment under the harsh environment monitoring become simple and safe .Papers give a simple introd

5、uction for CAN bus specification，and then Provide an online vibration monitoring system which is made with a wide Range of intelligent CAN bus communication nodes.The first part Paper detailed the Hardware design of single intelligent node and multi-channel waveform Intelligent node .The second part

6、，it Mainly Introduces the conditioning circuit module，A/D module，control module and communication module，gives the Structure of the whole network .In system software design，the paper Focuses on the lower intent node software process .The third part，through the CAN Bus communication protocol，the impr

7、oved one has been promoted . At the Same time，it also introduces the use of the PC interface card.Key Words: Sensor; CAN-bus; DSP; CPLD; Network目 录1 引 言11.1 研究背景和意义11.2 现场总线简介11.2.1现场总线控制系统11.2.2现场总线的发展过程11.2.3现场总线的本质21.2.4现场总线的特点31.2.5现场总线在国内发展的现状41.3本课题的工作52 CAN总线简介62.1 CAN中的一些基本概念62.2 CAN总线特点72.3

8、 CAN总线技术规范72.4本章小结83 系统硬件设计部分93.1系统总体设计93.3单通道状态值智能节点设计103.3.1单通道智能节点结构103.3.2 滤波电路结构103.3.3 有效值转换模块113.3.4 CAN总线接口模块113.4多通道波形状态值智能节点的硬件设计123.4.1 信号采集电路部分123.4.2调理电路部分143.4.4微控制器和外围电路233.4.5供电模块263.5电路安全性设计273.6本章小结274 系统软件设计部分284.1 下位机软件的设计284.2本章小结38结论39参考文献40致谢42II1 引 言1.1 研究背景和意义随着计算机网络技术和芯片技术的

9、发展，控制芯片的性能大幅度提高，成本不断降低，网络几乎深入到我们生活的每一个角落，以现场总线为代表的控制网络在工业以及其他控制系统中扮演着不可缺少的角色。现场总线技术是用于现场仪表控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多点、多站的串行通信技术，被誉为自动化领域的局域网，他是计算机技术、通信技术、控制技术的集成。1.2 现场总线简介1.2.1现场总线控制系统1.2.3.4.5传统模拟控制系统采用一对一的物理连接，而现场总线控制系统是继基式仪表控制系统、电动气动单元组合仪表模拟控制系统、世界数字控制系统DDC、集散控制系统DCS之后的新一代智能控制系统。它把单个分散

10、的测量控制设备变成网络节点，以现场总线控制网络为传输纽带，把每个网络节点连接成可相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统。 1.2.2现场总线的发展过程现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的，它的最初商业应是Honeywell公司在 1983年推出的数字信号(4mA-20mA)差分智能化仪表6.7它在普通仪表的基础上增加了计算功能的微处理器芯片，在输出的直流信号上叠加了数字信号，从而使现场装置与控制室装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此基础上，美国Rosemount公司开发出了自己的HART数字通信协议。到了1987年，美国Foxboro公司发表了I/A智能式自动

11、控制系统，在其系统中实现了全数字通信。现场总线的网络体系结构及标准的研究和制定始于1985年Montreal的IEC技术委员会TC65C会议上决定由 Proway Working Group (IECTC65C WG6)小组负责此项工作8.9.10。该组在1986年和1987年公布了一组现场总线的功能需求。在此期间其他一些国际标准化机构或公司也开始了这项工作，其中有著名的ISA(美国仪器协会)和 IEEEP18。在经过长15年的争论之后，终于在2000年形成了一个由8个部分组成的IEC61158国际标准。其中包括基金会场总线(FF Foundation Field bus)，LonWorks，

12、PROFIBUS， CAN(Control area Network)，HART(Highway Addressable Remote Transducer)等。1.2.3现场总线的本质由于标准并未统一，所以对现场总线也有不同的定义。但现场总线的本质主要表现在以下6个方面11.12.13:1.现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备和现场仪表的互连的通信网络2.现场设备互连现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。3.互操作性现场设备和现场仪表种类繁多，没有任何一

13、家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场总线设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花很大气力，而希望选用各制造商性能加个比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即插即用”;用户希望对不同的品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。这些就是现场总线设备互操作性的含义。现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。4.分散功能块FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站。把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿、和累加输入模块，而且有PID控制和运算模块。

14、调节阀的羁绊功能是信号驱动和执行，还内含输出特性补偿模块，也可以有PID控制和运算模块，甚至有阀门特性自检验和自诊断功能。功能块分散在多台现场仪表中，并可统一组态，供用户灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。5.通信线供电通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量，对于要求本征安全的低功耗现场仪表，可以采用这种方式。众所周知，化工、炼油等企业的生产现场有可燃性物质，所有现场设备都必须严格遵循安全防爆标准。现场总线也不例外。6.开放式互连网络现场总线为开放式互联网络，他既可于同层网络互连，也可与不同层网互连，还可以实现网络数据库的共享。不同制造商的网络互连十分简单，用

15、户不必在硬件或软件上花太多气力。通过网络对现场设备和功能块的统一组态，把不同厂商的网络及设备融为一体，构成统一的FCS。1.2.4现场总线的特点141.现场总线的结构特点现场总线打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为一对一的物理连接。现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先的DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制

16、室的计算机控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。现场总线控制系统(FCS)与传统控制系统(如DCS)结构对比如图1-1所示。图1-1 FCS与DCS结构比较由于采用数字信号替代模拟信号，因而现场总线控制系统可实现一对电线上传输多个信号，如运行参数、多个设备状态、故障信息等，同时又为多个设备提供电源，现场设备以外不再需要模拟/数字、数字/模拟转换器件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。2、现场总线的技术特点(l)系统的开放性(2)互可操作性与互用性(3)现场设备的智能化育功能自治性(4)系统结构的高度分散性(5)对现场环境的适应性3、现场总

17、线的优点现场总线的产生使得工业控制系统的设计、安装、运行以及维护等都比以前有了很大的便利，其优越性主要体现在:(l)一对N结构:一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号，这使得接线简单，工程周期短，安装费用低。如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。(2)可靠性高:数字信号传输抗干扰能力强，精度高，无需采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低了成本。(3)可控状态:操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其参数进行调整，还可预测或寻找故障，整个系统始终都处于操作员的监控之下，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。(4)互换性:用户可以自由选择不同制造商所

18、提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表故障，换上其它品牌的同类仪表照常工作，实现“即插即用”。(5)综合功能:现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能。实现一表多用，不仅方便了用户，也节省了成本。(6)分散控制:控制节点功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。(7)统一组态:由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有厂商都使用相同的功能块，并统一组态方法。这样就使得组态非常简单，用户不需要因为现场设备或仪表种类不同带来组态方法的不同，而进行培训或学习组态方法及编程语

19、言。(8)开放式系统:现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准都是公开的，所有制造商都必须遵循。这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互连又可与不同层网络互连;另外，用户可极其方便地共享数据库。1.2.5现场总线在国内发展的现状 虽然目前在发达国家，现场总线已经得到了极大的推广，广泛用于石化、冶金、电力、交通、环保、机械、轻纺、楼宇管理等现代自动化控制系统。但是它在我国却刚刚进入开发和应用阶段。当前中国经济正处于高速发展时期，市场潜力巨大，各大现场总线的主要企业均看好中国市场，并展开了激烈的竞争。近年来，现场总线标准及其技术己经逐渐成为全世界自动控制领域关注的一个焦点，是当今

20、自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。甚至有人预言:21世纪是现场总线的世纪。这是因为:现场总线标准将开辟过程控制的新纪元现场总线将对传统的控制系统结构带来根本性变革目前所做出的有关现场总线的决定将在未来的几十年中影响控制领域现场总线将在很大程度上改变现有的所有实现控制和维护的方法由此可以预见在不久的将来，现场总线将进入飞速发展期，其主要发展趋势为:(1)FCS将会在一定的时期内成为主流控制系统(2)现场总线技术与计算机通信技术的紧密结合。因此这两种技术的结合可以取长补短，发挥优势，大大提高工控系统的性能1.3本课题的工作本文的主要研究内容如下:1、CAN总线监测系统的

21、硬件设计设计总体方案，阐述了两种核心监测设备-单通道智能节点和多通道波形值智能节点的硬件设计，着重介绍了节点内部的各个功能模块设计方案。2、CAN总线监测系统的软件设计参照CAN总线通信协议，介绍了智能节点的下位机软件设计，根据实际的通信需要，重定义了部分的通信协议，增强了系统的安全性。2 CAN总线简介CAN是Controller Area Net的缩写，即控制器局部网，它是一种支持分布式控制或实时控制的串行数据通讯协议15。1991年9月PHILIP SSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范16（VERSION2.0)。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技

22、术规范版本 1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月150正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换高速通信控制器局部网(CAN)国际标准(15011898) 17.18.19.21，为控制器局部网标准化、规范化的推广铺平了道路。 2.1 CAN中的一些基本概念报文总线上的信息以不同的格式的报文传送，但长度有限。当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。信息路由在CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息。系统灵活性节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或者硬件的情况下，被接于CAN网络。报文通信个报文的内容由其

23、标识符ID命名。ID并不指出报文的目的，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定该数据是否使它们激活.成组由于采用了报文滤波，所有节点均可接收报文，并同时被相同的报文激活。数据相容性在CAN网络内，可以确保报文同时被所有节点或者没有节点接收，因此，系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达到的。位速率CAN的数据传输在不同的系统中是不同的，而在一个给定的系统中此速度是唯一的，并且是固定的。优先权总线访问期间，标识符定义了一个报文静态的优先权。远程数据请求通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的数据帧，该数据帧与对应的远程帧以相同的标识符ID命名。多主

24、站当总线开放时，任何单元均可发送报文，发送具有最高优先权报文的单元会赢的总线的访问权。仲裁当总线开放时，任何单元均可发送报文，若同时有两个或更多的单元开始发送，总线访问冲突运用诸位仲裁规则，借助标识符ID解决。这种仲裁规则可以使信息和时间均无损失。若具有相同标识符的一个数据帧和一个远程帧同时发送，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位电平与总线上检测到得电平进行比较，若相同则该单元可继续发送。当发送一个“隐形”电平，而在总线上检测为一个“显性”电平时，该单元退出仲裁，并不在发送后继位。安全性为了获得尽可能高的数据传输安全性，在每个CAN节点中均设有错误检测、标定和自检的强有力措施

25、。检测错误的措施包括:发送自检、循环冗余校验、位填充和报文格式检查。出错标注和恢复时间已损报文由检验出错误的节点进行标注。这样的报文将失效，并自动进行重新发送。如果不存在新的错误，从检出错误到下一个报文开始发送的回复时间最多为29个位时间。故障界定CAN节点有能力识别永久性故障和暂时扰动，可自动关闭故障节点。连接CAN串行通信链路是一条众多单元均可以被连接的总线，理论上，单元数目是无限的，实际上，单元总数受限于延迟时间和总线的电器负载。应答所有接收器均对接收报文的相容性进行检查，回答一个相容报文，并标注一个不相容报文【20.22】。 2.2 CAN总线特点(1) CAN采用多主工作方式，网络中

26、的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文识别码)采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据,总线利用率高，数据通讯实时性好。(2) CAN总线上的节点可以分成不同的优先级，当多个节点同时向总线发送信息时，一旦发生总线冲突，能够有效的减少总线仲裁时间。当信息遭到破坏后能重发，节点错误情况下可以自动退出总线。(3) CAN的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维；直接通信距离最远可达10km（传输速率为5kbps），通信速率最高可达1Mbps（传输距离为40m）。CAN采用短帧发送，每帧传输的数据字节数为8个，传输时间短，不易受干扰。(4)CAN的每帧信息都采用CRC校验及其它检错措施，数据

27、出错率低。2.3 CAN总线技术规范国际标准组织的开放系统互连(ISO/OSI)模型将各种协议分为七层，自下而上依次为:物理层、链路层、网络层、传送层、会话层、表达层、应用层23。CAN总线遵从ISO/OSI模型，以确保可以在任何两个CAN器件之间建立兼容性。不过考虑到CAN总线主要应用于工业控制底层网络，其单次传输的信息量较小，实时性要求较高，因此综合考虑ISO/OSI基准模型，将CAN结构划分为两层:数据链路层和物理层，其分层结构如图21所示，而应用层可以由用户自行定义。图2-1 CAN分层结构 l)物理层物理层协议为网络中的最低层协议，主要作用是在不同节点之间根据它们的电气属性进行每位的

28、实际传输，它定义信号怎样进行发送，涉及到位定时、位编码解码及同步的描述。.2)数据链路层按照 IEEE802.2和802.3标准，数据链路层又可划分为逻辑链路控制(LLC Logic Link Control)与媒体访问控制(MACMedium Access Control)两个部分。1、LLC子层:主要负责帧接收滤波、超载通告和恢复管理24.25。2、MAC子层:主要负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。2.4本章小结本章主要介绍了CAN总线的相关知识，较为详细的叙述了CAN总线的特点，说明了它在众多现场总线中得到广泛应用的原因。在对比国际标准组织的开放系统互连(ISO/OSI)模型的七

29、层结构的同时，介绍了CAN总线的技术规范，更深入的了解了CAN总线的通信过程。3 系统硬件设计部分3.1系统总体设计系统总体结构如图3-1所示，本系统由CAN总线智能节点、CAN总线中继器以及主控机三部分组成。在本系统中CAN总线智能节点数目最多不超过 1000点，可根据现场测量的需要选用单通道状态值智能节点或多通道波形状态值智能节点两种设备。如表3-1所示，CAN总线传输的距离与传输速率有着一定得对应关系，为了达到较高的传输速率就不得不缩短网络长度，这样对了大型机组的测量是很不利的，CAN总线中继器可以在传输达到极限距离时一对信号进行放大加强，使信号可以保持较高的传输速率，同时确保了系统实时

30、性的要求。主控机是系统中所有数据的汇总、分析、存储备份的部分，我们在主控机上就可以检测到每个节点的运行状态，还可以根据数据的波动情况预测设备的运转情况，这样有利于提前发现隐患，确保安全生产。图3-1系统结构框图表3-1 传输速率、传输距离关系表数据速率干线长度累计分支线长度单根分支线最大长度粗导线细导线扁平导线125kbps500m100m420m156m6m250kbps250m100m200m78m6m500kbps100m100m100m39m6m3.2智能节点硬件设计CAN总线智能节点简介 节点，是网络上信息的接收和发送站点，而所谓智能节点，用当前流行的法来讲，就是一个嵌入式系统。在本

31、系统中，它位于传感器和执行机构所在的工业现场，起着承上启下的作用。智能节点一方面和上位机(PC)进行通信，完成数据交换，另一方面又根据系统需要对现场执行机构或传感器进行控制或采集。实现两大基本功能:通信和I/O口管理。为了提高系统的实时性，一些简单的处理运算可以不通过上位机的干预和控制，直接在现场完成，从而大大减少通信量，以发挥智能节点的优势。 CAN总线把挂接在现场总线上所有智能节点连接成一个网络体系，可以实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。为实现上述这些功能，正确的设计集检测、控制、执行和通信于一身的底层智能模块的硬件电路就显得至关重要。智

32、能节点总体结构设计 本系统中的智能节点有单通道状态值智能节点和多通道波形状态值智能节点两种。3.3单通道状态值智能节点设计3.3.1单通道智能节点结构单通道节点被设计成直接连接至被测装置上，这就要求其结构紧凑，外型小。如图3-2所示，整个的传感器包括采集、滤波放大、AD转换、数据处理上传几个模块。采集模块使用环形剪切的传感器，将装置的振动量转变为响应的微小电压后传入滤波放大电路。放大滤波电路将信号处理后分成高频加速度、低频加速度、速度、位移4个测量量传入有效值转换。这些信号经过有效值转换和单片机AD模块转换后存入单片机，再经由CAN总线网络上传至主控机备份。图3-2 单节点传感器结构图3.3.

33、2 滤波电路结构由压电陶瓷转变后的电信号含有噪声，前端的电压跟随的作用主要就是去噪放大。系统中将对10Hz-1KHz内的信号进行分析，其中包括10Hz两级高通加速度、10Hz-1KHz低频加速度，10Hz-1KHz低频速度、10KHz-1KHz低频位移。它们经由单片机控制的多路开关通向有效值转换器。积分器并没有采用典型积分方式，而采用了一种近似的方法，这种方式能够更好的减少噪声，保证了信号的干净。3.3.3 有效值转换模块有效值转换模块内添加了一级精度扩展，这里将有效值输出通过一个10倍同相放大器与原信号一同输出。单片机可以根据测量门限(满量程的70%)选择接收原始信号还是精度扩展信号。这里为

34、了不引入噪声并抑制零漂，选用凌特公司的LTC2052作为放大器运放。3.3.4 CAN总线接口模块主控单片机芯片MC9S08DZ内嵌了CAN控制模块，总线数据的封装可以在单片机内部进行，而单片机只需要外接收发器 TJA1040既可。CAN模块的TXCAN和RXCAN分别与收发器的TXD和RXD连接。STB接I/O口作为收发器的控制信号。TJA1040引脚5是SPLIT，这个引脚提供了VCC/2的电压，可以将共模电压稳定到额定的VCC/2，所以引脚SPLIT要被连接到分离终端的中间分接头。而收发器的CANH和CANL则连接至总线，为了保证阻抗匹配还需要添加匹配电阻。如图3.3所示。图3-3 CA

35、N总线连接电路图3.4多通道波形状态值智能节点的硬件设计多通道波形状态值智能节点硬件结构框图如图3-4所示。该节点硬件主要由信号调理电路模块、A/D转换电路模块、微处理单元模块、CAN总线接口模块以及外围电源等辅助电路模块组成。设备的状态值经由振动传感器测量后进入信号调理电路模块进行前端的信号处理，这里包括了状态值路径和波形值路径两种方式的处理，可以对振动状态进行定点或连续的实时在线检测。状态值经过信号处理的振动状态值经由A/D转换电路模块转化为数字信号输入给微处理器单元DSPTMS320F28335;而波形值通道信号经处理后直接送入DSP自带的A/D转化模块处理。DSP处理过的数据通过CAN

36、总线的控制器和收发器进行封装，封装好的数据再由CAN总线上传至上位主控机。图3-4 节点结构图3.4.1 信号采集电路部分本系统主要用于工业现场大型机泵及电机设备的状态监测，被测量主要为被测对象的机械振动特性，如被测对象的振动频率、振幅、相位等，传感器则是用于将这些被测物理量转换为本系统可以采集到的电信号，因此传感器的信号是否准确以及信号调理是否得当直接关系到了数据采集、状态监测与数据分析的准确性。实际应用中，主要是针对振动对象的位移信号与加速度信号进行测量，因而本课题主要面向前端的加速度传感器来测量以上状态值。现在主流的加速的传感器大多使用的是压电式传感器。压电式传感器是一种典型的有源传感器

37、，具有良好的静态特性和动态特性、灵敏度及分辨率高、固有频率高、工作频带宽、体积小、质量小、结构简单、工作可靠。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。1、压电传感器的工作原理:(1)压电效应某些电介质，当沿一定方向对其施加外力导致材料发生形变时，其内部将发生极化现象，某些表面上也会产生电荷;当外力去掉后，又重新回到原来的状态。这种现象称为压电效应。反过来，在电介质极化方向上施加电场，其会产生机械形变;当去掉外加电场时，电介质的形变随之消失。这种将电能转变成机械能的现象称为逆压电效应或者称为电致伸缩效应26。(2)压电元件具有压电特性的材料称为压电材料，可以分为天然的压电材料和人工合成压电材料。常

38、见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。2、压电传感器的电路:压电传感器中的压电元件材料无论是石英切片还是压电陶瓷，它的内阻都很高、而输出的信号功率很小。因此一般不能直接显示、记录和使用，而需要经过阻抗变换和信号放大。压电元件的等效电路如图3-4所示。其中Q是压电元件受力产生的电荷，两电极板之间有点位差U0;压电材料是电介质，因而在两极板之间存在电容Cd;凡为极板间的绝缘电阻。根据压电元件的等效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷。为了便于应用，在压电元件输出和测量电路之间配接了一个放大器，起作用是把压电元件微弱的信号放大;另一个作用是把压电元件的高阻抗输入变为低阻抗输出。放大

39、器有两种形式:一种是电压放大器，另一种是电荷放大器。图3-5 压电元件等效电路压电陶瓷产生的电荷量是一种活电压，它并没有驱动负载的能力，而且随着周围环境的变化将会出现一定得浮动，这对于要求精密测量的场合不是很适合。除此之外，它的连接电缆也不会很长，过长的电缆线会使电荷量出现较大衰减。相比之下经过电荷放大器后，电荷量被转变为电压量，它就具有了驱动负载的能力，同时对于温度，湿度等环境因素有了较好的适应性，所以在这里我们选用了电压量加速度传感器进行信息的采集。3.4.2调理电路部分1、信号调理简介:在数据采集系统中，信号调理是对传感器发出的模拟信号进行处理，进行信号电平、极性、幅值转换，使之与A/D

40、转换器所需的电平极性相一致27。此外，信号调理还有提高信号的信噪比与滤波的作用。由传感器发出的信号通用要经过信号调理后才能由A/D芯片进行数据转换，较为常用的模拟信号调理电路主要包括信号激励、隔离、放大、滤波、线性化等等。本系统的主要任务是监测装置的振动状态，因此设备运转时的振动加速度、位移是主要的监测量，同时本系统还提供了振动速度的测量，针对如此系统要求以及工业现场的环境限制，本系统的调理电路模块主要包括传感器激励源、信号去直流分量、信号增益、保护电路、低通滤波、高通滤波、信号放大等功能电路，如图3-6所示。图3-6 调理电路结构图2、状态值路径调理模块设计:设计中印刷电路板上集成了4路状态

41、值信号，他们为完全的镜像电路，这里我们以其中一条通路为例介绍其硬件设计。(l)前端信号调理电路:前端信号调理电路主要用于对传感器的输出信号做初步的处理，实现信号提取与保护的作用，为实现后端的信号调理功能做准备。这部分调理电路较为简单，主要包括信号去直流分量、信号增益与信号保护电路三部分。这一部分调理电路组成如图图3-7 前端信号调理电路由于传感器采用电流源激励，其输出信号带有偏置电压，动态信号是叠加直流偏置上的，因此在设计时在前端信号调理电路中加入了22OnF的电容IC102和1M的电阻IR103组成的高通滤波器，用以实现信号的隔直滤波，去掉信号中的直流偏置电平，只保留其中的交流信号，同时滤去

42、了低频噪声，便于后续调理电路处理。图3-6中电阻IR104和IR105以及运放TL064组成了基本的同相比例放大器，把有加速度压电传感器采集到的微小状态值电信号放大到可供后级处理的幅值。这里的V103为保护用TVS管，为了防止过冲信号损坏后级处理信号。图3-6包含了振动加速度传感器的供电电路。这里电阻IR101和IR102是用来把电压信号转换为电流信号，以便为传感器提供电流激励;电容IC101作为电源级间电容，提供一定得滤波功能;TVS管 V101和V102是为了防止静电信号由传感器传入电路板，影响电路正常工作而设计的。(2)高/低通滤波电路:在数据采集过程中，被测信号中经常会混有高频或低频干

43、扰信号，对有用信号造成干扰，进而影响到数据采集系统的精度。为了最大限度的保留有效信号，去除信号中各种噪声，在信号调理电路中经常要加入高通或低通滤波器，将无用的信号进行衰减和滤除。模拟滤波器可以分为有源滤波器与无源滤波器两科，。其中无源滤波器带负载能力较弱，信号会随着负载的变化而出现一些变化，需要进行阻抗匹配。而有源滤波器是通过运算则可以有效地消除以上不足，得到了广泛的应用，但有源滤波器较无源滤波器有着较大的噪声。实际应用中，根据需要可以选取不同类型和阶数的滤波器，以达到预期效果。信号调理电路在设计中加入了巴特沃斯滤波器，用以去除信号中的干扰。信号调理高通滤波部分结构如图3-8所示。低通滤波部分

44、如图3-9所示图3-8高通滤波电路图3-9低通滤波电路(3)积分电路:积分电路是使输出电压与输入电压的时间积分值成比例的电路。最简单的积分电路由一个电阻器R和一个电容器C构成。若RC的乘积取值足够大，外加电压时电容器上的电压只能缓慢上升。简单的RC积分电路的实际响应特性和理想积分电路有较大的差别，在开始充电的一段时间内，输出电压很接近于理想的直线斜升电压。随着充电过程的延续，电容电压增高，充电电流减小，输出电压就越来越偏离理想积分器的响应特性。基于运放的积分电路中有V0=(-Zc/R)Vi=-(l/RCs)Vi。由于电容器是在反馈路径中，所以也称为米勒积分器，同时也被称为反向积分器，其传递函数

45、为H(s)=-1/RCs。实际上这个积分器在实验室中试验时，会发现它的输出将漂移不定，直至饱和在接近某一电源电压值即在Vi接地时都是如此。由于在低频域|Zc|远大于R而具有极高的增益，它将趋于饱和，实际上这正是由于所谓的运算放大器的输入失调误差引起的。这里避免饱和的一种粗糙的方法是放上一个合适的电阻R与C并联就够了，这样就得到的电路称为有损耗积分器。其电路图和伯德图如图3-10所示。（a）（b）图3-10 有损耗积分器电路图 伯德图将一只电阻与反馈电容器并联如图3-9(a)所示，就把这个积分器变成一个带有增益的低通滤波器。令1/Z2=(R2Cs+l)/R2，给出H(s)=-Z2/R1，或者H(

46、s)=-R2/(R2Cs+l)R1，指出一个实数极点在s=-1/R2C。令j，可将H(s)表示成归一化形式H(j)H0/(l+j/0)，H0=-R2/R1，0=l/R2C。具体的说，这个电路工作如下。在足够低的频率上有|Zc|远大于R2，与R2相比可略去Zc，因此将这个电路看作增益H=-R2/R1=H0的反向放大器。因此就称为直流增益。在足够高的频率上有|Zc|远小于R2，与Zc相比可略去R2，因此将这个电路看做一个积分器。它的高频渐近线是一条斜率为-20dB/dec的直线，并通过单位增益频率。1=1/Rc。因为该电路仅在某一有限频率范围内近似一个积分器的特性，所有称它为有损耗积分器。实际应用

47、中也可以使用外部调零的方式消除失调误差。外部调零是基于将可调的电压和电流注入到电路中，以补偿电路的失调误差。这个办法在输入级不会引入任何额外失衡，因此不会使漂移等性能下降。3、波形值路径调理模块设计:(l)高/低通滤波电路:在波形值路径中，用户可根据需求选择不使用高通滤波器、使用二阶高通滤波与使用四阶高通滤波等效果，各滤波器的滤波截止频率也各不相同。信号调理电路中的高通滤波器采用了运算放大器芯片TLO64、高精度电阻电容与多路模拟开关共同构成。模拟开关选用了美国MAXIM公司的高性能模拟开关芯片DG409，这种芯片具有极低的导通电阻，保证了模拟信号不受影响。AVD3、AVD2控制引脚，用于选择

48、使用的高通滤波方式。当AVD3、AVD2为00时，信号调理中不使用高通滤波器;当AVD3、AVD2为01时，使用二阶高通滤波器，其截止频率为2，8Hz，5Hz时信号幅值衰减达95%;当AVD3、AVD2为10时，使用四阶高通滤波器，其截止频率为529Hz，1kHz时信号幅值衰减达95%;AVD3、AVDZ为11时无效。信号调理电路中低通滤波部分选用了可由用户配置的巴特沃斯低通滤波器。与高通滤波器类似，为使数据采集卡适合于多种不同的信号类型，低通滤波器在设计时也采用了不同阶与截止频率的两级低通滤波器。前级二阶低通为固定截止频率滤波器，后级二阶低通滤波器截止频率可由用户自行选择。低通滤波器采用TL

49、O62运算放大器、高精度电阻电容与DG408多路模拟开关共同构成。LFP5、LFP4、LFP3与LFP2、LFP1、LFP0这两组控制引脚为2个多路模拟开关的通道选择信号，用于选择使用的低通滤波器截止频率。两组控制引脚相同选择，LFP2、LFP1、LFP0的值可为000111，与之对应的二阶低通滤波器的截止频率范围为173Hz34.7kHz。(2)放大电路:针对不同类型的监测对象，传感器输出的电信号也各不相同。加速度传感器和电涡流传感器得到的振动信号的幅度会随着设备振动不同而不同，当振动不大时，其输出电压比较小，甚至信号仅为mV级，这些小信号非常容易受到其它信号的影响，因此必须对信号进行放大，

50、以便后续电路使用。基于此方面考虑，每块数据采集卡中的信号调理电路中都加入了程控放大电路，它可以根据用户的实际需要与振动信号幅值进行设置，能够方便地调节放大倍数。考虑到本系统使用的传感器输出信号幅值较小，以及系统应用有更好的灵活性，信号调理中的信号放大部分选用了1X、2X、5X、1OX、20X、50X、1OOX、2OOX、5OOX、1O00X等多种放大倍率。设计中采用了高精度运算放大器芯片LTC2051、高精度电阻与多路模拟开关共同构成的同向放大器实现。由于采用倍率较多，单级放大器无法实现，因此选用了前后两级放大器，前级放大器用于实现1X、2X、5X、1OX、20X、5OX、1OOX倍率，后级同

51、向放大器实现1X与10X放大倍率。信号放大电路结构设计如图311所示。图3-11放大电路图上图中程控放大器由高精度电阻、TL062运算放大器与DG408模拟开关芯片。电路中PGA3PGAO为本放大电路的程控端，用于选择放大电路的放大倍率，其对应关系见表3-2。表3-2 放大倍率选择关系PGA3PGA2PGA1PGA0放大倍率00001000120010500111001002001015001101001100200110150011101000(3)抗混叠滤波:根据采样定理可知，当信号的最高频率超过采集系统的最高采样频率的一半时，从采样信号恢复而来的信号就会发生频率混叠。为了防止信号混叠现象

52、，在数据采集系统中常常加入抗混叠滤波电路。为达到更好的抗混叠滤波效果，信号调理电路中采用了专用的抗混叠滤波芯片LTC106628,LTC1066是Linear公司生产的一款开关电容滤波芯片，它的最大截止频率可以达到80kHz，最小达到10Hz，而且同时支持单电源操作与双电源操作，双电源操作最大可达+8v。与其它滤波芯片相比，LTC1066有着很小的输出失调电压，最大只有士1.5mV，因而可以满足大部分数据采集的需求。此外LTC1066可以配置为多种不同类型的滤波器，通过将该芯片8脚接到V+，地或V-，可分别配置为椭圆滤波器、线性相位滤波器和巴特沃斯滤波器。本设计中 LTC1066配置为椭圆滤波

53、器，即第8脚接V+。信号调理电路中的 LTC1066抗混叠滤波器部分如图3-12所示。图3-12 LTC1066抗混叠滤波器连接图上图中FCLK是LTCI066的抗混叠时钟输入端，此种工作模式下抗混叠时钟的截止频率FO与FCLK的关系为FCLK:FO为50:1。用户可以根据实际应用中的需要，在数据采集软件中进行相应的设置，改变抗混叠滤波参考时钟信号的时钟频率，从而改变数据采集卡中的抗混叠滤波频率。3.4.3 A/D变换部分A/D变换模块在模数混合电路中是连接模拟和数字的桥梁，AD芯片是数据采集卡中的核心部分，直接关系到数据采集系统的工作性能与采集数据的准确性。结合本数据采集应用中的性能与应用场

54、合，对于状态值路径提出了以下性能要求:1.为了实现多通道同步数采，每块数据采集卡要求可以进行同步四路模拟信号的数据采集，每路信号又要同时检测加速度和位移两种状态量。2.数据采集卡要求精度达到至少12位精度，且同步数据采集时每路信号通道速度可达到1O0kps。根据以上要求，本设计的状态值路径采用了2级A/D电路，前级为A/D有效值转换，选用了AD公司的RMS-to-DC芯片AD536A;后级为高精度A/D转换，选用了凌特公司的 LTC1867芯片。有效值转换芯片AD536A是一块完整的单片式集成电路芯片，它的性能优于传统和混合的转换单元。它可以直接计算任何包含直流和交流信号的复杂波形的有效值。A

55、D536A可以选用单极或者双极供电，其静态电流仅为 1.2mA。它所具有的振幅因素补偿能力，可以使振幅因素在达到7时还能保持1%的测量误差。对于有效值为100mV以上的电平信号，其测量范围可达到45OK;对于有效值为1V以上的电平信号，其测量范围可达2M。其内部结构如图3-13所示。图3-13 AD536A功能框图LTC186729是一款8通道的16bitA/D转换器，其采样率最高可到2OOksps，信噪比可达89dB。其低功耗设计可使采样率在200ksps时，静态电流为 1.3mA;采样率为100ksps时，静态电流仅为0.76mA。LTC1867的8个通道可以被配置为单一输入或者是差分输入

56、，其转换方式也可设定为单极性转换或双极性转换，同时它所具有的自动休眠模式，也使系统能耗更低。其内部结构如图3-14所示图3-14 LTC1867功能框图如图所示，CHO-CH7为模拟输入管脚，其中CH7/COM可以作为一个单一的通道或者作为一个公共的负端输入管脚。Vref热风是基准电压管脚，它可以作为2.5V的内部基准输出，也可以作为外部的基准输入给A/D芯片，用以改善芯片的精确度和漂移。CS/CONV是芯片的片选信号，同时它还可以用来驱使ADC的转换。REFCOMP提供了基准缓冲单元的输出。而芯片的数字通信采用SPI的方式。LTC1867规定，当CS/CONV管脚信号有低变高时，这个上升沿将

57、触发一个转换过程。数据的传输以及通道的选择是在两个转换过程之间完成的，并且这个间隔最短不能低于1.5us。通道选择及功能脚定义是通过主机发送的一个7bit指令帧给定的，指令帧说明如下所示。这里设计使用的是单信号。8通道选择模式，通道选择对应的指令帧形式如下表3-3所示。SD： 单信号/差分信号 1：单信号 0：差分信号OS： 奇数通道/偶数通道 1：奇数通道 0：偶数通道S1: 地址选择位 1 1：选通 0：未选通S2： 地址选择位 2 1：选通 0：未选通COM: CH7/公共端选择 1：CH7 0:CH7为公共端UNI: 急性选择 1：单极性 0：双极性SLP: 休眠 1：进入休眠 0：休

58、眠唤醒表3-3指令帧形式表SD0SS1S2Channel+Configuration-1000CH0GND1001CH2GND1010CH4GND1011CH6GND1100CH1GND1101CH3GND1110CH5GND1111CH7GND 波型值路径主要是检测设备节点在一段时间内的变化趋势，所以A/D的要求没有那么高，这里设计直接采用微处理器DSP集成上的A/D转换模块。3.4.4微控制器和外围电路1、 TMS32OF28335DSP介绍 TMS320F2833530是TI公司TMS320F28XX系列的DSP芯片，与TMS320F2812相比，这款芯片支持32位的单精度浮点计算。它的

59、处理速度可以达到150MIPS，该处理器集成了256KB的Flash存储器和128位的密码保护机制，从而大大改善了应用的灵活性。同时片上还集成了16通道高性能12位ADC单元，提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。TMS320F28335采用增强的哈佛总线结构，能够并行访问程序和数据存储空间。其内部集成了较大容量的SRAM，ROM以及FLASH等存储器，TMS320F28335采用了统一寻址方式(程序、数据和I/O统一寻址)，从而提高了存储空间的利用率，方便了程序的开发。除此之外，TMS320F28335还提供了外部并行总线扩展接口(XINTF)，有利于总线和外设的扩展，使片外寻

60、址与片内寻址统一，方便开发大规模复杂系统。下面简要介绍TMS32OF28335的存储器寻址空间和XINTF。TMS320F28335的存储器总线结构包含了程序读总线、数据读总线和数据写总线3种。其中程序读总线包含22位的地址线以及32位的数据线，数据读和写总线都包含32位的地址线以及32位的数据线，寻址范围0x000000-Ox3FFFFF。TMS32OF28335包含两个单周期快速访问的存储器M0和Ml，每个空间的长度都是1K字。其中M0映射到OxOO00OO-Ox0003FF空间，M1映射到Ox00040O-0x0O07FF空间。复位后，堆栈指针指向M2模块的起始地址。TMS320F283

61、35还包含一块32K*16位的单周期访问的SRAM，这个存储器被分成8块，分别是LO(4K)，LI(4K)，LZ(4K)，L3(4K)，L4(4K)，LS(4K)，L6(4K)，L7(4K)，每个模块都能被独立访问，并且可以被映射到程序和数据空间。被映射到Ox3FEOOO-Ox3FEFFF空间的是Boot-ROM，它是由生产厂商固化好的存储空间，其内部固化了芯片对应的boot-loader程序，通过boot-mode信号既可选择boot方式。TMS320F28335的外部接口XINTF采用异步非复用模式总线，其包含了20位地址线、32位数据线和3条片选线。这3条片选线被映射到3个外部存储空间。

62、其中XZCSO片选LO(4K)，XZCS6片选L6(IM)，XZCS7片选L7(IM)。本设计扩展了片外的SRAM和FLASH，还使用了CPLD作为时钟分频和地址译码器。设计时把XZCS6作为CPLD的片选，XZCS7作为SRAM片选。而FLASH使用的是SPI通信方式，这里的片选信号由CPLD译码后给出。TMS320F28335内部集成的12bit的ADC模块包含有16个通道，被双通道的采样保持分成A、B两组。但因其内部只有一个比较单元，所以此ADC模块只支持同时采样和连续采样2种工作方式:同时采样模式下，A、B两组的对应通道同时采样，B通道转换过程时间稍长连续采样模式下，16个通道按照次序依次采样。TMS32OF28335的ADC模块输入模拟电压要求在OV3V之间，其对应输出的数字电压范围如下:VD=O