多路傳感器信號采集與傳輸系統的設計

崔濟麟，張軍杰

（煤科集團沈陽研究院有限公司 遼寧 撫順 113122）

多路傳感器信號采集與傳輸系統的設計

崔濟麟，張軍杰

（煤科集團沈陽研究院有限公司 遼寧 撫順 113122）

一般礦用傳感器的輸出信號多為頻率信號、電流信號或者485信號，本文的設計電路主要完成1路頻率測量、4路電流采集、2路485信號接收和1路CAN總線的數據傳輸功能，本設計電路采用LPC1768作為控制的核心，完成了系統的硬件設計和軟件設計，具有較高的可靠性和實時性，能夠滿足系統的設計要求。

電流采集；頻率采集；RS485；CAN總線

隨著半導體技術和芯片技術的快速發展，MCU的處理速度越來越高，外設更加豐富，具有多路的A/D采集模塊，多路串口通信模塊，更多的外部中斷，多個8位為或者16位的定時器外設，以及CAN總線通信模塊等，使得MCU能夠獨立完成對模擬信號、數字信號的采集和處理，滿足礦用傳感器產品［1］及總線傳輸控制系統的設計要求［2-4］。通常，對于微弱的電壓信號采集需要將電壓信號傳入MCU的A/D進行采集，轉換成MCU可以處理的數字信號，信號轉換器件的性能指標決定了信號轉換的質量。將模擬信號轉換為數字信號的電路電路應具有以下要求：1）極高的輸入阻抗；2）極低的輸出阻抗；3）精確和穩定的線性增益；4）極高的共模抑制比（CMRR）。模數轉換電路的精度和線性度直接關系到儀表測量的精度和準確度。因此，模數轉換器件關系到儀器儀表好壞的關鍵性因素［5］，本位中將采用ADS1115作為模數轉換的關鍵元器件。

1　設計方案

文中介紹的多路傳感器信號采集與傳輸系統由電源電路、核心控制電路、頻率信號測量電路、電流信號測量電路、RS485信號測量電路和CAN總線數據傳輸電路構成。系統原理框圖如圖1所示。

2　硬件電路各模塊的設計

1）電源模塊的設計

圖1　系統原理框圖

電源模塊采用開關型電源芯片LM2596，LM2596具有較寬的輸入電壓范圍，最高輸入電壓達40 V，具有較高的轉換效率和較少的外圍電路元件，電路簡單，占用較小的電路板空間［6-7］。電源電路如圖2所示。

圖2　電源原理框圖

2）控制核心模塊設計

核心模塊包括以cortex-M3為內核的LPC1769處理器，以及LPC1769的時鐘電路，復位電路和JTAG調試接口電路等構成。LPC1769具有較高的處理速度，最高可達100 MHz，抗干擾能力強，工作穩定，外設豐富，有多達4個串口，2個CAN總線控制器，8路A/D模數轉換外設等。控制核心模塊電路如圖3所示。

3）電流測量模塊設計。

圖3　控制核心原理圖

對電流的采集采用采樣電阻的方法將4～20 mA電流轉換為電壓信號，再通過A/D轉換芯片對電壓信號進行采集。采樣電阻采用150，電壓轉換的范圍為600 mV～3 000 MV。

A/D轉換芯片采用 TI的 ADS1115模數轉換芯片。ADS1115是16位的模數轉換器，具有4路單端模擬信號輸入端或者2路差分信號輸入端，供電電壓為2 V到5.5 V的單電源供電，具有I2C接口，方便MCU對ADS1115的控制和通信。ADS1115采用MSOP-10封裝，體積小，極低的功耗，適合便攜式設備及直流供電的產品。電流采集模塊電路如圖4所示。

圖4　電流采集原理圖

4）頻率測量模塊設計。

外部傳感器輸入的頻率信號為200～1 000 Hz，頻率信號的幅值為24 V。為防止輸入頻率信號帶來的干擾和沖擊，采取先對頻率信號進行隔離，隔離后再對頻率信號進行測量。隔離芯片采用光耦TL521-1，光耦的輸入端通過一個限流電阻接入頻率信號，光耦的輸出端采用3.3 V供電，將隔離后輸出的低壓頻率信號接入MCU，MCU對頻率信號進行測量，測量后換算為傳感器的檢測值。

5）RS485模塊的設計

RS485通信模塊采用SP3485芯片作為485通信的收發器，SP3485同時兼容3.3 V和5 V供電，較低的功耗，電路接口簡單便于應用。SP3485與MCU之間通過ISO74XX進行隔離，以消除SP3485信號對MCU的沖擊和干擾。在DP3485的輸出端，采用防雷管和瞬態抑制二極管來消除電路電壓波動及浪涌帶來的影響。A線和B線之間采用一只120歐的匹配電阻用來匹配電路傳輸線中的阻抗。RS485通信模塊電路如圖5所示。

圖5　RS485通信模塊電路

6）CAN總線通信模塊的設計

由于LPC1768具有兩路CAN總線控制器，所以只需要再增加外圍的CAN總線收發器電路即可構成CAN總線的通信電路。

本文中選用的 CAN總線收發器為 PCA82C251，PCA82C251是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，支持最少110個節點，對電磁干擾具有較強的抗干擾能力，在24 V電壓對地短路的電路中對電池具有保護作用，具有高達1Mbaud通信速率，總線中的節點掉電時不會影響整個網絡的正常通信。PCA82C251的供電電壓為4.5～5.5 V，待機電流僅為275 μA，采用SOIC-8封裝，適合各種場合的應用需求。

為防止CAN總線傳輸過程中疊加的干擾，在MCU和PCA82C251之前通過隔離芯片進行信號的隔離，以保證MCU的穩定運行。隔離芯片采用ADUM1201。

在CAN總線的輸出端，通過加入一只防雷放電管，可有效減少因雷擊帶來的損害，同時在CAN總線上對地和兩線之間分別接入瞬態抑制二極管，有效抑制來自總線的電源波動和干擾，保證CAN總線系統的穩定運行。在CANH和CANL之間接入一只120歐母的電阻用以匹配傳輸線路上的阻抗。CAN總線模塊的電路如圖6所示。

圖6　CAN總線模塊的電路

3　系統軟件的設計

多路傳感器信號采集與傳輸系統的軟件設計主要包括系統初始化配置程序、電流信號采集、頻率信號采集、RS485信號采集和CAN總線數據傳輸程序。初始化配置程序由MCU初始化配置程序、ADS1115配置程序，串口配置程序和CAN總線控制器的配置程序等構成。MCU通過串口讀取RS485接收到的總線數據、頻率信號和I2C總線接收到的電流值，將接收到的數據打包為規定的數據格式，通過CAN控制器發送到CAN總線上。同時MCU接收來自CAN總線的數據讀取命令，讀取相應的數據并將讀取的數據傳輸至CAN總線［8-9］。軟件總體流程圖如圖7所示。

圖7　軟件總體流程圖

4　結論

通過對大量的測試和實驗，多路傳感器信號采集與傳輸系統能夠正確的接收CAN總線傳輸的數據指令，能夠正確實時的讀取傳感器傳入的頻率信號、電流信號和485信號，無漏讀和錯讀現象，能夠實時的返回CAN信號，運行過程中無程序跑飛或死機現象，具有較強的抗干擾能力，達到系統的設計要求。

［1］張斌.采用TLC2652的高精度放大器［J］.電子產品世界，2003 （13）：39-40．

［2］葉昌茂．實用直流放大器的設計［J］.電子工程師，2005（10）：30-32．

［3］許永植，滕軍．傳感器系統的誤差差動補償技術［J］．國外建材科技，2004，25（5）：71-74．

［4］唐向紅．MATIAB及在電子信息類課程中的應用［M］．北京：電子工業出版社，2006：92-93．

［5］趙新民，王祁．智能儀器設計基礎［M］．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1999．

［6］Power Semiconductor Devices Applications Handbook［Z］，Intenational Reet．

［7］LovedayP W,RogersC A.The influence of control system design on the performance of vibratory gyroscope［J］.Journal of Sound and Vibration,2002,255（3）:417-432.

［8］張正揚，劉方.一種基于CAN總線的電動車電池管理系統［J］.電子科技，2014（3）：129-132.

［9］李剛.基于PCI_CAN的數據轉換系統設計 ［J］.電子科技，2015（2）：169-171.

Design of signal acquisition and transmission system for multi sensor

CUI Ji-lin，ZHANG Jun-jie
（CCTEG Shenyang Research Institute Co.，LTD Measurement and Control Technology Branch，Fushun 113122，China）

The output of Mine sensor are mostly signal of frequency,Current signal or RS485 signal,This article mainly designe one chanal frequency detect，four Current signal detect，two RS485 signal detect and one CAN bus for data transmission.This designe take LPC1768 as the core control,completed the hardware and the software designe,which has a high Reliability and timeliness to meet the system design requirements.

current collection；frequency acquisition；RS485；CAN bus

TN914.3

A

1674－6236（2016）13-0092-03

2015-07-13稿件編號：201507086

崔濟麟（1989—），男，遼寧撫順人，碩士，助工。研究方向：煤礦安全類儀器儀表的設計與研發。