基于CAN总线的智能传感器节点设计与应用*

杜华程， 许同乐， 黄湘俊， 杨艳辉

(1.山东理工大学 机械工程学院,山东 淄博 255049；2.长沙木年轮电子科技有限公司，湖南 长沙 410013)

基于CAN总线的智能传感器节点设计与应用*

杜华程1， 许同乐1， 黄湘俊1， 杨艳辉2

(1.山东理工大学 机械工程学院,山东 淄博 255049；2.长沙木年轮电子科技有限公司，湖南 长沙 410013)

针对基于RS—485总线的岩土工程数据采集系统实时性差、可靠性与错误检测能力低的问题，设计了基于CAN总线的智能传感器节点与岩土工程监测系统通信。详述了智能传感器节点硬件和软件设计。通过对基于CAN节点的位移计在工程安全监测上的应用，结果表明：基于CAN总线智能传感器节点具有工作稳定、性能可靠、精度高等特点。

CAN总线； 传感器节点; 智能节点； 岩土工程

0 引 言

目前，国内岩土工程自动化安全监测系统数据通信中，现场总线采用较多的是RS—485工业总线，其效率低、实时性差、可靠性低、维护成本高等[1]。而岩土工程监测要求抗干扰性强、多节点、长距离传输，基于RS—485总线的数据采集系统难以满足要求，CAN总线在通信能力、可靠性、灵活性、成本低等方面相较于RS—485有着明显的优势。

本文采用CAN总线代替RS—485总线，设计研发基于CAN总线的岩土工程自动化监测智能节点，实现岩土工程监测中长距离、多点、及时性强等特征，可以有效解决目前岩土工程监测中的这些问题，减少建设工程存在的安全隐患[2]。

1 智能节点硬件设计

1.1 系统组成

基于CAN总线的数字式传感器网络节点具有统一的工业总线接口，多只传感器可以一起以CAN总线方式连接，并可以直接与PC连接或者通过数据采集箱与计算机相连，从而进行实时监测与自动化测量。本文设计的节点是由带有CAN控制器的微处理器和CAN收发器芯片等组成的智能节点，本智能节点主要由核心微处理器LPC11C14、模拟信号采集前端电路、CAN总线电路、温度传感器电路、实时时钟电路，以及EEPROM存储器电路等组成。基于CAN总线的传感器智能节点如图1所示。

1.2 硬件设计

1.2.1 微处理器

微处理器是系统的核心，负责数据采集处理、记录采集数据、通过CAN总线上传数据或接收并处理管理中心发出的控制命令等任务，根据系统采用小体积、低功耗设计的要求，选用基于Cotex-M0内核的32位微处理器LPC11C14，单片机本身就集成CAN控制器，内部ROM集成供CAN和CAN Open标准使用的初始化和通信的API函数，用户可直接调用。具有32 kB片内Flash程序存储器 ，具备±1LSB DNL的8通道高精度10位ADC，可选择通过CAN或UART接口进行Flash ISP编程等。

图1 硬件组成框图

1.2.2 CAN总线模块

CAN总线信号CANTX和CANRX从C8051F040出来后先分别经过数字隔离电路进行电气隔离,再经过具有高EMC性能CAN总线收发器接口芯片TJA1040,然后接到CAN数据线上[3]。由于岩土工程现场环境恶劣，电磁干扰等比较严重，为了保证系统的可靠性，节点的控制器和接收器之间采用双路高速磁隔离器ADUM3201数字隔离，避免总线上的瞬时干扰。在数字隔离和CAN收发器的电源之间选用的DC-DC电源模块ZY0505BS-1W进行电源隔离,提高节点的稳定性与安全性。为了进一步确保采集系统的抗干扰能力和驱动能力抗干扰性能，在CAN总线上串联保险丝SDM020，并联电容器滤除总线上高频干扰，也有防电磁辐射的功能，在地与总线接入端接入保护二极管，可以起到过压保护作用[4]。其电路原理图如图2所示。

图2 CAN总线模块电路原理图

1.2.3 温度补偿模块

由于热胀冷缩效应，在同样的物理量(压力、拉力、应变、位移等)作用于传感器的情况下，温度不同时传感器输出的频率也会发生变化。如果不采取补偿处理，就会影响传感器的测量精度，降低了传感器的长期稳定性[5]。因此，设计基于DS18B20数字温度实时检测模块进行温度补偿，在进行测量读出传感器的频率后，根据当前的温度将频率值换算至标定时的温度值对应的频率值，再根据标定的结果换算成物理量，从而提高测量精度。其电路原理图如图3所示。

图3 温度补偿模块电路原理图

2 软件设计

软件设计的整体流程如下图4所示，系统在上电后，先进行初始化。基于低功耗的考虑，主控制器MCU LPC11C14在初始化CAN后，将所有IO,MCU的片内外设以及片外的传感器设备进入低功耗或掉电模式状态，然后将自身设置进入休眠模式。通过传感器内部RTC定时唤醒MCU，主机可通过CAN向传感器发送指定的操作命令，MCU在接收到主机传送的命令字之后，进行相应的操作，比如:采集当前温度、频率信息，并根据需要写入EEPROM或通过CAN 总线将数据返回给远程主机，实现先进的工业化、自动化数据采集功能。

图4 整体流程图

3 工程应用分析

将节点应用于某煤矿的采空区自动化监测工程中，通过多个CAN总线智能节点与PC进行连网，组成顶底板移近量在线监测系统，在准备充填的某采面根据采空区内部情况和井上居民区分布情况选择顶底板移近量监测点，每个测点布置一个基于CAN节点的顶底板移近量传感器。各个传感器与接线盒相连接的信号传输总线把每个测点采集的数据传入自动采集箱，视传输信号的强弱在传输总线中加入CAN中继器。当自动采集箱收到监测服务器(计算机)的巡测指令或到预先设置的自动采集时间时，自动采集箱通过CAN总线实时采集移近量和温度值，并将数据发送到监测服务器，由工作人员进行数据分析。图6、图7分别为测点1在2013年7月10日～9月10日期间采空区填充时前后温度变化和顶底板移近量变化。

在实际工程应用中，智能传感器节点数据采集和传输顺畅，没有出现数据滞后和混乱报错现象，采空区填充时，从测点1采集的温度变化图5与顶底板移近量变化图6可以得知，填充前后测点检测温度最高位47.7 ℃，这与实验室填充物反应时的最高温度相近；顶底板移近量总的变化量为31.1 mm,与预想变化相符,这说明基于CAN总线的智能传感器节点在数据采集和传输方面具有监测准确、可靠性高、数据采集效率高等特点。

图5 温度变化

图6 顶底板移近量变化

4 结 论

1)在岩土工程自动化监测智能传感器节点的设计中，采用模块化设计，其体积小、功耗低、自动化程度高，方便携带安装；采用温度自动补偿技术，提高了数据采集的准确度。传感器节点作为下位机可定时测量，可主动请求上位机发送数据可省去中间环节。

2)采用CAN总线技术，可以提高网络各节点之间的数据通信实时性和可靠性，增强系统的灵活性与稳定性，保证岩土工程的监测工作的准确性与效率。

3)在实际工程中，该节点能够满足快速、可靠、多种测量环境下的传感器数据采集与传输，降低了相关监测与管理成本，说明该智能节点有着广泛的应用价值。

[1] 杨 旗，陆云龙.基于CAN总线的传感器网络节点设计[J].仪器技术与传感器，2011(9):95-96.

[2] 孙树文,杨建武,张慧慧,等.基于CAN 总线的分布式监控系统智能节点设计[J].微计算机信息，2006,22(2-8):55-57.

[3] 张 弘，于盛林.基于C8051F040的CAN总线传感器数据采集模块设计[J].测控技术，2007，26(6):62-64.

[4] 牛跃听，周立功，方 丹，等.CAN总线嵌入式开发——从入门到实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[5] 李 强,梁 莉,刘 桢,等.具有温度补偿功能的智能压力传感器系统[J].仪器仪表学报,2008,29(9):1934-1938.

Design and application of intelligent sensor nodebased on CAN bus*

DU Hua-cheng1, XU Tong-le1, HUANG Xiang-jun1, YANG Yan-hui2

(1.School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China; 2.Changsha Wooden Rings Electronic Technology Company,Changsha 410013,China)

Aiming at problem of poor real-time,low reliability,low error detection ability of geotechnical engineering data acquisition system based on RS—485 bus,intelligent sensor node based on CAN bus is designed and communicate with geotechnical engineering monitoring system.Mainly introduce design of hardware and software of intelligent sensor node.By means of application of displacement meter based on CAN node in engineering safety monitoring, results show that the intelligent sensor node has characteristics of stable working,reliable property,and high precision.

CAN bus; sensor node; intelligent node; geotechnical engineering

2014—07—02

山东省高等学校科技计划资助项目(J10LG22)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2013FM005)

10.13873/J.1000—9787(2015)02—0082—03

TP 212

B

1000—9787(2015)02—0082—03

杜华程(1989-)，男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事智能测试技术与仪器方面的研究。