【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (IOPIntraocular pressure)為 60mmHg時(shí)，靜態(tài)輸出為 40mV，靈敏度系數(shù)亦較高 :Marco, S和Samitier, J等人于 1997年也報(bào)導(dǎo)了使用極薄膜片構(gòu)成的高性能、用于生物學(xué)研究的壓阻式力傳感器，主要用于血管壓力測(cè)量。 溫度漂移的補(bǔ)償由于溫度是影響壓力傳感器線性度的土要原因，溫度漂移效應(yīng)補(bǔ)償研究成為眾所關(guān)注的課題，近年來發(fā)表此方面的論文也比較多，歸納起來有兩大類 :其一是利用雙惠斯登電橋結(jié)構(gòu)對(duì)溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，如 :Lee, Young Tac和 Seo , Hee Don等人提出的利用雙惠斯登單臂電橋結(jié)構(gòu)補(bǔ)償法 。Hou , Chenggui提出的雙電橋制成的壓力傳感器，利用雙電橋來改善壓力傳感器的靈敏度，消除零壓輸出，減小靈敏度溫度漂移己得到了實(shí)現(xiàn)等。其二是利用線性電壓激勵(lì)，使壓阻式力傳感器的靈敏度改變得以補(bǔ)償。 Gakkested , Jakob 。Ohlckers, Per III Halbo , Leif成功地實(shí)現(xiàn) T這一設(shè)想。對(duì)溫度變化引起的靈敏度和線性度漂移利用軟件或硬件進(jìn)行補(bǔ)償同樣取得了良好的效益。 目前，傳感器在很多方面存在嚴(yán)重不足，因結(jié)構(gòu)尺寸人，時(shí)間 (頻率 )響應(yīng)特性差 。輸入 輸出特性存在非線性，且隨時(shí)間漂移 。參數(shù)易受環(huán)境條件變化的影響而漂移等。 南京工業(yè) 大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 壓力傳感器的發(fā)展方向 向高精度發(fā)展 :隨著自動(dòng)化生產(chǎn)程度的不斷提高，對(duì)傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動(dòng)化的可 靠性。目前能生產(chǎn)精度在萬分之一以上的傳感器的廠家為數(shù)很少，其產(chǎn)量 也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求 [6]. 向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展 :傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。提高溫度范圍歷來是大課題，大部分傳感器其工作范圍都在 200℃～ 700℃，在軍用系統(tǒng)中要求工作溫度在一 400℃～ 850℃范圍，而汽車鍋爐等場(chǎng)合要求傳感器工作在 200℃～ 1200℃，在冶煉、焦化等方面對(duì)傳感器的溫度要求更高，因此發(fā)展新興材料 (如陶瓷 )的傳感器將很有前途。 向微型化發(fā)展 。各種控制儀器設(shè)備的功能越來越人，要求各個(gè)部件體積能占位置越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)，目前利用硅材料制作的傳感器體積己經(jīng)很小。如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細(xì)加 工 技術(shù)制 成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。 向微功耗及無源化發(fā)展 ,傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時(shí)離不開電源，在野外現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命。日前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如 TI2702運(yùn)算放大器，靜態(tài)功耗只有 ，而工作電壓只需 2～ 5V。 向智能化數(shù)字化發(fā)展 :隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能己突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個(gè)單一的模擬信號(hào) (如 0～ 10mV )，而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號(hào)，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數(shù)字傳感器 [8]。 南京工業(yè) 大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 課題研究的內(nèi)容和方法 課題研究圍繞傳感器儀表的設(shè)計(jì)展開。首先確定要開發(fā)的 CAN 總線智能壓力傳感器具有測(cè)量、控制和通信的功能，并規(guī)定設(shè)備的工作過程如下 :被測(cè)壓力信號(hào)作用于壓力傳感器，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后，送入 PIC18F458 微控制器，其內(nèi)嵌的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)，再經(jīng)過一系列的相關(guān)軟件 (數(shù)字濾波等 )處理后，進(jìn)行數(shù)碼管顯示，完成壓力測(cè) 量功能 :根據(jù)預(yù)先設(shè)定的上下限值，若超過則報(bào)警；將壓力測(cè)量值發(fā)送給 CAN 總線，并接收總線上來自上位機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)儀表的發(fā)送幀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信功能。 接下來圍繞硬件設(shè)計(jì)和軟件編寫進(jìn)行開發(fā)，并對(duì)軟、硬件進(jìn)行了統(tǒng)一考慮，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 : (1)盡可能選擇功能強(qiáng)、集成度高的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化芯片，盡量減少插接件和相互連線，以提高儀表的可靠性和成功率。 (2)充分發(fā)揮軟件的作用，以降低硬件成本，并能提高儀表的靈活性和適應(yīng)性。 (3)各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以備將來修改和擴(kuò)展之用。 (4)設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)在設(shè)備開發(fā)中也是需要重點(diǎn)考慮的，對(duì)此后面有專門討論。 總線技術(shù)的研究 CAN 總線技術(shù)的研究主要從 CAN 總線的特點(diǎn)、 PIC18F458 的 CAN 模塊及其應(yīng)用等幾個(gè)方面進(jìn)行。 硬件的設(shè)計(jì) CAN 總線智能壓力變送器的硬件部分由傳感器模塊、微控制器模塊、通信模塊、上下限報(bào)警模塊、顯示模塊、電源模塊組成。利用 Protel99 進(jìn)行電 南京工業(yè) 大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 路原理圖及印刷電路板的設(shè)計(jì)。 軟件的編制 配合硬件結(jié)構(gòu)，確定合適的軟件結(jié)構(gòu)和程序算法，繪制程序流程圖，采用匯編語言最后進(jìn)行仿真 調(diào)試和脫機(jī)運(yùn)行調(diào)試。軟件基于模塊化設(shè)計(jì)思想，采用分層分塊的結(jié)構(gòu)，使程序編寫容易，易于擴(kuò)展、維護(hù)和調(diào)試。軟件部分主要包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序、修改報(bào)警上下限程序、數(shù)碼管顯示程序、通信程序等。 南京工業(yè) 大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 2 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線 總線概述 [7] 控制器局域網(wǎng)（ CAN）是一個(gè)串行通信協(xié)議，它具有非常高的魯棒性（ robustness），能有效支持分布式實(shí)時(shí)控制。 Robert Bosch GmbH 在 1991 年的CAN 規(guī)范 中完整定義了此協(xié)議。 CAN 總線的應(yīng) 用領(lǐng)域包括從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多路傳輸線路。在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，引擎控制單元、傳感器、防滑系統(tǒng)等都通過 CAN 連接起來，最高位速率可達(dá) 1Mbit/s。 CAN 網(wǎng)絡(luò)以一種節(jié)省成本的方法替代了汽車工業(yè)中繁雜的信號(hào)傳輸線。 CAN 總線在噪聲環(huán)境中的魯棒性，以及錯(cuò)誤狀態(tài)的檢測(cè)和恢復(fù)能力使其適用于 eviceNet、 SDS 和其他現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議等工控應(yīng)用。 CAN 是具有一個(gè)邏輯總線線路的異步串行總線系統(tǒng)。為開放式、線性總線結(jié)構(gòu)，總線節(jié)點(diǎn)平均分布。 CAN 總線由兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成?？偩€上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以動(dòng)態(tài)改變，而不會(huì)影響其 他節(jié)點(diǎn)的通信。這樣就很容易連接或者斷開總線節(jié)點(diǎn)（例如為了增加系統(tǒng)功能、錯(cuò)誤恢復(fù)或總線監(jiān)測(cè)）?？偩€邏輯對(duì)應(yīng)“線與”機(jī)制，“隱性”位（ Recessive bits，通常，但不是必須，等于邏輯電平“ 1”）被“顯性”位（ Dominant bits，通常邏輯電平為“ 0”）覆蓋。只要沒有總線節(jié)點(diǎn)在發(fā)送顯性位，總線線路就處于隱性狀態(tài)，但是只要任何總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送了顯性位，總線線路即處于顯性狀態(tài)。因此，對(duì)于 CAN 總線線路，必須選擇能傳送兩種可能位狀態(tài)（顯性和隱性）的介質(zhì)。其中最常見也最經(jīng)濟(jì)的方法是使用雙絞線。此時(shí)總線線路稱為“ CANH”和“ CANL”，可以直接與節(jié)點(diǎn)連接或通過連接器與節(jié)點(diǎn)連接。對(duì)于連接器的使用， CAN 規(guī)范中并沒有定義標(biāo)準(zhǔn)。通過在總線線路的始端和末端接端接電阻來端接雙絞線?？偩€長(zhǎng)度小于或等于 40米時(shí)，最大總線速度可達(dá) 1 Mb。如果總線長(zhǎng)度超過 40米，總線速度必須要降低（ 1000 m 的總線可達(dá)到 40 Kb 的總線速度）?？偩€長(zhǎng)度如果超過 1000米，則應(yīng)該使用專門的驅(qū)動(dòng)器?？偩€上不連接其他設(shè)備時(shí)至少可以連接 20個(gè) 節(jié)點(diǎn)。由于采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，兩條總線線路受到相同的影響，因此差分信號(hào)不會(huì)受到影響，所以 CAN 不易 受 EMI 的影響。也可以屏蔽 南京工業(yè) 大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 總線線路以降低總線本身的電磁輻射，尤其是在高波特率下。 二進(jìn)制數(shù)據(jù)是按 NRZ 碼（不歸零碼；低電平 = 顯性狀態(tài)；高電平 = 隱性狀態(tài)）編碼的。為確保所有總線節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，使用了位填充。就是說在報(bào)文發(fā)送過程中，最多可以有 5個(gè) 連續(xù)位具有相同的極性。只要發(fā)送了相同極性的 5 個(gè)位，在繼續(xù)發(fā)送其他位前，發(fā)送器將在位流中插入一個(gè)極性相反的位。接收器也會(huì)檢查相同極性的位數(shù)，并把填充位從位流中去除（去填充）。 在 CAN 協(xié)議中，不尋址總線節(jié)點(diǎn)，而是將地址信息放在要發(fā)送的報(bào)文中。這是通過標(biāo)識(shí)符（包 含在每個(gè)報(bào)文中）實(shí)現(xiàn)的，標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)報(bào)文內(nèi)容（比如引擎速度、油溫等）。標(biāo)識(shí)符另外還會(huì)表明報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。標(biāo)識(shí)符的二進(jìn)制值越低，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)越高。 對(duì)于總線仲裁，使用的是非破壞性仲裁（ NonDestructive Arbitration， NDA）的載波偵聽多路訪問／沖突檢測(cè)（ Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection， CSMA/CD）。如果總線節(jié)點(diǎn) A 要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)文，它首先會(huì)檢查總線是否處于空閑狀態(tài)（“載波偵聽”），也就是說沒有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文。如果這樣（并且沒有其他節(jié)點(diǎn)希望在這一時(shí)刻開始發(fā)送），節(jié)點(diǎn) A 就成為總線主節(jié)點(diǎn)并發(fā)送報(bào)文。在第一個(gè)發(fā)送位（幀起始位）期間，所有其他節(jié)點(diǎn)切換到接收模式。在正確接收了報(bào)文后（由每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)答確認(rèn)），每個(gè)總線節(jié)點(diǎn)分別檢查報(bào)文標(biāo)識(shí)符并在必要時(shí)存儲(chǔ)報(bào)文。否則，報(bào)文就會(huì)被丟棄。 如果兩個(gè)或多個(gè)總線節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始發(fā)送報(bào)文（“多路訪問”），則通過逐位仲裁（“沖突檢測(cè)／非破壞性仲裁”和“線與”機(jī)制，“顯性”位覆蓋“隱性”位）來避免報(bào)文沖突。每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送其報(bào)文的標(biāo)識(shí)符位（先發(fā)送 MSb）并監(jiān)視總線電平。如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送的是隱性標(biāo)識(shí)符位但是讀回的 是顯性標(biāo)識(shí)符，則該節(jié)點(diǎn)失去總線仲裁并切換到接收模式。當(dāng)爭(zhēng)用節(jié)點(diǎn)報(bào)文標(biāo)識(shí)符的二進(jìn)制值較低（顯性狀態(tài) = 邏輯 0）時(shí)就會(huì)出現(xiàn)此情況，因此該爭(zhēng)用節(jié)點(diǎn)將發(fā)送具有較高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文。這樣，具有最高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的總線節(jié)點(diǎn)將贏得仲裁，而不需要浪費(fèi)時(shí)間來重復(fù)發(fā)送報(bào)文。一旦總線回到空閑狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)就會(huì)自動(dòng)嘗試重復(fù)發(fā)送。不允許不同的節(jié)點(diǎn)使用同一標(biāo)識(shí)符來發(fā)送報(bào) 文，因?yàn)榭赡苁ブ俨?，并?dǎo)致沖突以及稍后報(bào)文出錯(cuò)。 南京工業(yè) 大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 總線特點(diǎn) CAN 總線是一種多主總線 [8]，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達(dá) 1 Mbit/s(傳輸距離為 40m)，通信距離可達(dá) lOkm(傳輸速率為5Kbit/s) 。 CAN 協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)在理論上不受限制。由于 CAN 總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力、支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。 CAN 得到 Motorola, Intel,Philip, Siemence, NEC 等公司的支持，CAN 的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)， )，廣泛地應(yīng)用于離散控制系統(tǒng)。 CAN 的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié) 數(shù)為 8 個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。由于其采用 CRC16 的校驗(yàn)方式，誤碼率僅為3x105。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使通信線上的其他節(jié)點(diǎn)的通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 所以 CAN 以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)能得到廣泛的應(yīng)用。 CAN 是 Controller Area Network 的英文縮寫，稱為控制器局部網(wǎng)，它是一種簡(jiǎn)化型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的一種。由于 CAN 總線的高性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之 一。 CAN 作為一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議最初由德國(guó) Robert Bosch 公司為汽車檢測(cè)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，于 1986 年 2 月在 SAE(汽車工程師協(xié)會(huì) )大會(huì)上首次介紹。 1991年 9 月 CAN 技術(shù)規(guī)范 版推出，該規(guī)范包括 A 和 B 兩部分。 給出了曾在CAN 技術(shù)規(guī)范 版中定義的 CAN 報(bào)文格式，而 給出了標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種報(bào)文格式。此后， 1993 年 11 月， IS011898(高速應(yīng)用 )和 IS011519(低速應(yīng)用 )， 1995 年又對(duì) ISO 11898 進(jìn)行了擴(kuò)展，以附錄的形式說明了 29 位 CAN 標(biāo)識(shí)符，這些規(guī)定為 CAN 的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化及推廣應(yīng)用鋪平了道路。 由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法，使得 CAN 總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，其