基于CAN總線的礦用壓力傳感器的設計

葛學瑋

（煤科集團沈陽研究院有限公司 遼寧 沈陽 113122）

基于CAN總線的礦用壓力傳感器的設計

葛學瑋

（煤科集團沈陽研究院有限公司 遼寧 沈陽 113122）

礦用壓力傳感器廣泛應用于井下巷道和管道內的壓力檢測，對壓力進行實時準確檢測對煤礦安全生產具有重要意義。本文設計了一種基于CAN總線的礦用壓力傳感器，采用高精度的電流型壓力傳感器對壓力進行實時檢測，并通過CAN總線將壓力數據傳輸給礦用分站。設計中以Cortext M3為內核的LPC1752作為控制的核心，采用MEAS 1220作為壓力檢測的核心元件，完成壓力傳感器的硬件和軟件設計，具有較高的可靠性和準確性。

CAN總線；壓力檢測；MEAS 1220；LPC1752

近年煤礦安全生產越來越受到重視，減少煤礦事故和減少人員傷亡是煤礦生產的重要方面，提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和準確性已經迫在眉睫，礦用壓力傳感器作為監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要部分，實時檢測井下巷道和管道內的壓力[1-2]具有重要的現實意義。隨著MEMS微機電技術和工藝的的土突飛猛進，壓力檢測元件已具有較高精度和極低的功耗[3-5]，較小的體積和較低成本。美國精量電子生產的壓力傳感器MEAS 1220采用電流恒流供電方式，能夠檢測0～100PSI范圍的壓力，滿量程輸出電壓為50 mV，非線性度不超過0.1%。完全能夠滿足傳感器的設計要求。

目前的礦用傳感器中信號的遠距離傳輸主要采用頻率信號、485總線和CAN總線，CAN總線與頻率信號和485總線相比具有更大的優(yōu)勢和廣泛的應用前景，CAN控制器工作于多主模式，RS485總線只能工作在主從模式；CAN總線節(jié)點出現錯誤時具有自動關閉輸出的功能而不影響其他節(jié)點，而RS485節(jié)點同時向總線發(fā)送數據時，會出現總線短路，從而損壞某些節(jié)點使總線鎖死；CAN總線節(jié)點可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數據，具有較大的靈活性；CAN總線節(jié)點最多可設計達到110個，相對于RS485總線具有較大的優(yōu)勢，文中選用CAN總線傳輸壓力傳感器的壓力信號。

設計中采用LPC1752作為控制的核心處理器，LPC1752是Cortext M3內核的處理器，是為嵌入式系統(tǒng)應用而設計的高性能、低功耗的32位微處理器[6-8]，適用于儀器儀表、工業(yè)通訊、電機控制、燈光控制、報警系統(tǒng)等領域。其操作頻率高達120 MHz。具有豐富的外設，4個32位通用定時器、一個8通道12位ADC、5個UART接口、2路CAN、3個SSP接口、1個SPI接口、3個I2C接口、6路通用PWM輸出、1個看門狗定時器以及一個獨立供電的超低功耗RTC等，使得LPC1752能夠獨立完成對模擬信號、數字信號的采集和處理，滿足礦用壓力傳感器產品設計要求。

1 系統(tǒng)結構

文中設計的基于CAN總線的壓力傳感器電路由核心控制電路、電源電路、壓力測量電路、聲光報警電路、紅外遙控接收電路和CAN總線數據傳輸電路構成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 硬件電路各模塊的設計

1）控制核心模塊設計

傳感器的控制核心模塊以LPC1752芯片作為控制的核心，核心模塊主要由LPC1752的時鐘電路，復位電路和JTAG調試接口電路等構成。LPC1752具有可靠性高，抗干擾能力強，較高的處理速度，工作穩(wěn)定，外設豐富等優(yōu)，對壓力的采集和數據傳輸具有較高的實時性，完全能夠滿足壓力傳感器的設計要求?？刂坪诵哪K電路如圖2所示。

2）電源模塊電路的設計

電源模塊的芯片采用開關型電源芯片L4978，L4978的輸入電壓范圍寬，最高輸入電壓達55 V，具有較小的壓降，能夠提供高達2 A的輸出電流，輸出電壓范圍從3.3 V到50 V，并且L4978具有較高的轉換效率，電路簡單，芯片采用8腳直插的封裝并且無需散熱片，較好的節(jié)省了電路板的空間。電源電路如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 控制核心原理圖

圖3 電源原理框圖

3）壓力測量模塊電路

壓力測量傳感器采用美國精量電子的MEAS 1220作為檢測的氣敏元件，MEAS 1220檢測精度高、線性度好，具有較寬的溫度范圍和較小的體積，采用恒流的方式供電，具有較好的穩(wěn)定性。MEAS 1220的輸出信號為電壓信號，經過運算放大電路調理后送給MCU的AD模塊進行采集。MEAS 1220的輸出電壓信號經過INA121放大后傳入單片機的AD采集模塊。INA121為儀表專用放大器，只需要一個放大倍數調整電阻即可完成放大電路的設計，INA121具有較寬的電壓輸入范圍和極小的偏移電壓，特別適合在信號放大電路中使用。壓力測量模塊電路如圖4所示。

4）聲光報警電路的設計。

當檢測壓力超出規(guī)定的壓力值時，引腳BFCT和CON電壓為高電平，三極管P2和P3導通，壓力傳感器進行聲光報警，并通過CAN總線將壓力數據主動上傳至礦用分站。聲音報警通控制蜂鳴器開關進行報警，蜂鳴器鳴響的聲音分貝值不小于80DB；光報警燈采用高亮度的紅色LED燈，報警時LED燈閃爍，20米外清晰可見。聲光報警電路模塊如圖5所示。

圖4 壓力檢測模塊

圖5 聲光報警電路模塊

5）CAN總線模塊電路的設計

CAN總線模塊電路主要有CAN總線收發(fā)器和信號隔離電路及瞬態(tài)抑制電路構成。CAN總線收發(fā)器采用PCA821251，PCA82C251是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口芯片，具有高達1 Mbaud的通信速率，支持最少110個節(jié)點，具有較強的抗電磁干擾能力，總線中的節(jié)點在掉電或者損壞時不會影響整個網絡的正常通信。

LPC1752的CAN總線控制器通過CANTD和CANRD引腳對CAN總線的數據進行收發(fā)，為防止總線上的電壓波動和高壓沖擊，本設計中采用隔離芯片6N137將MCU和CAN總線隔離，6N137的隔離電壓可以高達2500 VAC，通信速率達10 MBd，完全可以達到保護MCU的性能要求和通信要求。PCA82C251的輸出端通過兩個可恢復保險絲接入CAN總線，當總線通過的電流過大時保險絲處于高阻狀態(tài)，對PCA82C251進行保護。

TVS管D1和D2反向接入CANH和CANL總線之間，當CAN總線間的電壓出現瞬間沖擊時，TVS管被擊穿短路，從而對CAN總線收發(fā)器進行保護，提高了總線模塊電路的可靠性和穩(wěn)定性。CAN總線的一端并接一只120歐的匹配電阻，用于提高總線的通信距離和穩(wěn)定性。通信模塊電路如圖6所示。

圖6CAN總線傳輸模塊

3 系統(tǒng)軟件的設計

基于CAN總線的壓力傳感器的軟件設計主要包括系統(tǒng)初始化配置程序、壓力數據采集和CAN總線數據傳輸程序。初始化配置程序主要由LPC1752初始化配置程序和CAN總線初始化配置程序等構成。

LPC1752通過A/D模塊實時采集壓力數據，當壓力數值值超過設定的報警極限時，控制器打開聲光報警功能，并通過CAN總線將壓力值傳送至礦用分站；當LPC1752接收到從CAN總線傳回的讀取數據指令時，LPC1752將檢測到的壓力數據值發(fā)送到CAN總線。CAN總線的配置主要完成CAN總線收發(fā)數據的波特率、標識符和數據長度等。軟件總體流程圖如圖7所示。

The design of mine pressure sensor based on CAN bus

GE Xue-wei
（Shenyang Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group，Shenyang 113122，China）

Mine pressure sensor is widely used in underground tunnels and the pressure detection in the pipeline，the pressure of real-time and accurate detection of coal mine safety production is of great significance.A pressure sensor based on CAN bus is designed in this paper，the high precision of the current type pressure sensor is adopts for real-time detection of pressure，and the pressure data to mine substation vias the CAN bus.The LPC1752 based on the Cortext M3 core controls the sensor and using MEAS 1220 as the core component of pressure detection，the hardware and software design of the pressure sensor has high reliability and accuracy.

CAN bus；pressure detection；MEAS 1220；LPC1752

TN914.3

A

1674－6236（2016）18-0072-03

2015-10-14 稿件編號：201510081

葛學瑋（1981—），男，黑龍江雞西人，工程師。研究方向：煤礦安全類產品的硬件研發(fā)。