總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置的設(shè)計

葉海生，劉洪淵

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置的設(shè)計

葉海生，劉洪淵

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

為了使振弦傳感器監(jiān)測裝置實現(xiàn)簡化現(xiàn)場布線、直接輸出被測物理量，設(shè)計了一種基于單片機和CAN總線的振弦傳感器監(jiān)測裝置。文章介紹了總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置設(shè)計的實際意義。根據(jù)工程實際，設(shè)計了監(jiān)測裝置的總體結(jié)構(gòu)。通過查閱文獻掌握了振弦傳感器的工作原理和CAN總線多節(jié)點通信的方法。設(shè)計了CAN總線節(jié)點收發(fā)硬件電路并給出了總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置的程序流程圖。最后給出了設(shè)計的總線式監(jiān)測裝置的實驗效果圖?？偩€式振弦傳感器監(jiān)測裝置將振弦式傳感器、單片機以及CAN總線結(jié)合在一起，提高了測量頻度、簡化了現(xiàn)場布線。用于具有測量頻度高、測量距離遠(yuǎn)等特點的多種振弦傳感器監(jiān)測的工業(yè)領(lǐng)域。

CAN總線；振弦傳感器；監(jiān)測裝置

0 引言

長期以來，在大壩、橋梁、巖土、隧道、礦山等工程的安全監(jiān)測中，振弦式傳感器是廣泛應(yīng)用于監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變、滲流、液位、位移等物理量的非電量電測的傳感器[1]。在工程實際中，被測對象的監(jiān)測物理量一般都是能夠確保工程安全施工的重要參數(shù)，通常需對多個測點進行同時遠(yuǎn)程監(jiān)測。目前，對于此類工程，常用的振弦式傳感器的測量裝置主要有便攜式儀表和多路式儀表。便攜式儀表雖然易于攜帶，但測量頻度低且需要在現(xiàn)場進行監(jiān)測，不僅浪費人力而且還存在很高的安全隱患。多路式儀表雖然測點較多，但每個傳感器需要單獨引線，使得工程現(xiàn)場布線比較繁雜，除此之外對通信線的保護工作也難以開展，應(yīng)用范圍也有很大的局限性。

本文設(shè)計的總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置結(jié)合CAN總線技術(shù)，并以集成了CAN控制器的AT90CAN32單片機為核心嵌入到傳感器內(nèi)部，實現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器的智能化，實現(xiàn)物理量的直接監(jiān)測；而CAN總線技術(shù)的應(yīng)用，將原來的集中式監(jiān)測改為總線分布式監(jiān)測，簡化了現(xiàn)場布線，增大了通信距離。對于克服振弦傳感器監(jiān)測裝置現(xiàn)有問題及振弦式傳感器的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 監(jiān)測裝置的總體結(jié)構(gòu)

在工程中，往往存在測點較多、現(xiàn)場環(huán)境惡劣，多路采集時布線龐雜等問題，而傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置又不直接輸出被測物理量，降低工作效率。

根據(jù)工程實際問題，本文設(shè)計的監(jiān)測裝置由CAN總線、監(jiān)測從機(將單片機嵌入傳感器)以及監(jiān)測主機(監(jiān)測顯示終端)組成。當(dāng)監(jiān)測從機將監(jiān)測采集到被測信息后，按照通信協(xié)議制定好的優(yōu)先級向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)測從機與發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行地址匹配，匹配符合后接收數(shù)據(jù)并加以顯示，從而完成一次監(jiān)測。

圖1給出了總線式振弦傳感器檢測裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 監(jiān)測裝置總體結(jié)構(gòu)框圖

2 監(jiān)測裝置的基本理論

2.1 振弦傳感器的工作原理

振弦式傳感器是以拉緊的鋼弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)鋼弦的長度確定后，激勵鋼弦后使其振動，通過測量其固有振動頻率的變化量來得到鋼弦所受張力的大小[2]。鋼弦所受張力與固有振動頻率成一定關(guān)系，其關(guān)系公式如下：

式中：l—鋼弦的長度;T—鋼弦所受張力;ρ—鋼弦單位長度的質(zhì)量;f0—鋼弦的固有頻率。

振弦式傳感器由支承1、電磁鐵2、鋼弦3、純鐵片4和可動部件5等組成。它的敏感部件是內(nèi)部的鋼弦，當(dāng)施加外力時，鋼弦的應(yīng)力會增加或減少，鋼弦會發(fā)生相應(yīng)的拉伸或壓縮，這時鋼弦初始自振頻率也隨之增加或減少。因此，只要測得振弦受力穩(wěn)定后的頻率值，即可通過上述張力—頻率關(guān)系式得到被測力的值。

2.2 CAN總線多節(jié)點通信方法

本文設(shè)計的總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置通過AT90CAN32內(nèi)部集成的CAN控制器實現(xiàn)遠(yuǎn)程幀發(fā)送、節(jié)點尋址和遠(yuǎn)程應(yīng)答功能。

遠(yuǎn)程幀即使不含數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)幀，其作用是接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀。

在每一個嵌入了監(jiān)測模塊的傳感器標(biāo)定時通過CAN初始化設(shè)置唯一的ID地址。而監(jiān)測終端向總線發(fā)送帶有ID的遠(yuǎn)程幀，當(dāng)某一傳感器的ID地址與此遠(yuǎn)程幀的ID相匹配時，傳感器將向監(jiān)測終端回復(fù)數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端接收到傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理后，重新發(fā)送其他ID遠(yuǎn)程幀，以請求其他傳感器的數(shù)據(jù)回復(fù)，從而通過CAN總線建立起監(jiān)測終端與各傳感器節(jié)點的通信。表1給出了CAN總線幀種類和用途。

表1 幀的種類和用途

3 硬件設(shè)計

在此監(jiān)測裝置的硬件電路中主要有AT90CAN32單片機最小系統(tǒng)、CAN收發(fā)節(jié)點電路、監(jiān)測模塊的傳感器激振及信號調(diào)理電路和監(jiān)測顯示終端的LCD顯示電路。

AT90CAN32是ATMEL公司生產(chǎn)的基于AVR增強型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8位單片機，其內(nèi)部集成了CAN控制器，可以大大簡化硬件電路。

CAN收發(fā)節(jié)點電路主要是由AT90CAN32單片機和高速CAN收發(fā)器芯片TJA1050構(gòu)成。TJA1050可以為總線提供差動發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動接收性能，是CAN通信必不可少的器件。此外，TJA1050具有極低的電磁輻射特性，無需外加光耦、CAN收發(fā)器，直接與單片機I/O口連接，接口簡單、使用方便，使得硬件電路設(shè)計變得簡單。

圖2 CAN收發(fā)節(jié)點電路原理圖

4 軟件設(shè)計

總線式振弦式傳感器監(jiān)測裝置的功能是通過硬件與軟件的有機結(jié)合實現(xiàn)的。此監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計分為監(jiān)測模塊軟件設(shè)計和監(jiān)測顯示終端軟件設(shè)計兩部分。

4.1 監(jiān)測模塊軟件設(shè)計

監(jiān)測模塊主要實現(xiàn)接收終端發(fā)送的遠(yuǎn)程幀、傳感器激振、測量、信號處理、數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。其程序流程圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測模塊流程圖

4.2 監(jiān)測顯示終端軟件設(shè)計

監(jiān)測顯示終端主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、向監(jiān)測模塊發(fā)送遠(yuǎn)程幀的功能。其程序流程圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測顯示終端流程圖

5 實驗結(jié)果

5.1 振弦傳感器波形實驗

在監(jiān)測過程中，通過示波器觀察鋼弦起振、自振以及波形調(diào)理后等不同階段的波形，以確定監(jiān)測裝置硬件電路設(shè)計的結(jié)果是否滿足要求。

5.1.1 振弦傳感器的起振波形

從圖5可以看出，波形發(fā)生突變，波形突然上升，說明鋼弦激振開始，鋼弦起振，在之后的大約10 ms的時間里，由于激勵脈沖剛過的瞬間，鋼弦還處于不同程度的強迫振動階段，此時的鋼弦振動頻率不是振弦傳感器的固有頻率，因此波形不是正弦波，如果此時開始測量，會影響測量精度。經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，選擇激振10 ms左右以后再進行頻率測量，測得數(shù)據(jù)才是振弦傳感器的自振頻率。

5.1.2 振弦傳感器的自振頻率

強迫振動結(jié)束后，鋼弦開始自動振蕩，由于阻尼作用，波形是一個隨時間逐漸衰減的正弦波，其輸出的整體波形如圖6所示。

從圖6可以看出，振弦傳感器的鋼弦起振后，做阻尼振動，振動持續(xù)的時間大約為3 s左右。在這段時間內(nèi)，利用AT90CAN32單片機進行頻率測量，才能測得最精確的頻率值。

5.1.3 振弦傳感器調(diào)理波形

振弦傳感器的鋼弦起振后，輸出的衰減的正弦波只有幾毫伏。此時的波形并不能直接被單片機監(jiān)測，因此，需要先進行信號調(diào)理，最終輸出可以被AT90CAN32檢測的方波。振弦傳感器的自振頻率以方波的頻率呈現(xiàn)。調(diào)理后的波形圖如圖7所示。

通過對不同階段的波形觀察發(fā)現(xiàn)，可以看出各階段的波形與其對應(yīng)階段的理論波形相符，這說明振弦傳感器監(jiān)測裝置的硬件電路設(shè)計較為合理，硬件電路平臺搭建成功，可以基于該硬件電路進行后續(xù)的軟件設(shè)計。

5.2 監(jiān)測裝置的總體實驗

將設(shè)計的硬件電路與軟件程序相結(jié)合，形成一套完整的監(jiān)測裝置并進行實驗，圖8給出了總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置的監(jiān)測效果。

圖5 振弦傳感器起振波形

圖6 振弦傳感器自振頻率

圖7 信號調(diào)理后的波形

圖8 總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置的監(jiān)測效果圖1-振弦傳感器；2-監(jiān)測從機；3-監(jiān)測主機；4-程序下載器。

將監(jiān)測從機2嵌入到傳感器1中形成智能化傳感器，并將監(jiān)測到的信息傳送到監(jiān)測主機并加以顯示，結(jié)果顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的值精度可以達到0.1～1 Hz，滿足工程要求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計了總線式振弦監(jiān)測裝置。將內(nèi)部集成了CAN控制器的AT90CAN32單片機作為核心嵌入到了傳感器內(nèi)部，不僅實現(xiàn)了被測物理量直接輸出，還簡化電路，使監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)變得簡單；另外，應(yīng)用CAN總線技術(shù)，其分時多主、非破壞性總線仲裁等技術(shù)特點有效提高了通信的可靠性。

綜上所述，本文開發(fā)的總線式振弦傳感器監(jiān)測裝置具有可靠性高、性價比優(yōu)、結(jié)構(gòu)簡單等特點實現(xiàn)了總線式分布監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)便攜式儀表、多路式儀表存在的一些問題。

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Design of Monitoring Device for Bus-type Vibrating Wire Sensor

YE Hai-sheng, LIU Hong-yuan

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In order to make the device of vibrating wire sensor to simplify the wiring in some industry fields, and the physical quantity is output directly. It gives the practical significance of design of monitoring device for bus-type vibrating wire sensor. It designs the overall structure of the monitoring device based on the actual situation of projects. It also gives the working principle of the vibrating wire sensors and the method of CAN bus multi-node communication. It designs the CAN node circuit and Program flow chart of this monitoring device. The experimental results show that the communication distance is up to 8km at the communication rate of 250 kps, and it can have up to 110 nodes. The design method is simple, flexible and has more versatility, it can be applied in a variety of industrial applications where vibrating wire sensors are used.

CAN bus; vibrating-wire sensors; monitoring

2017-04-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助(3142015132)

葉海生(1990-)，男，安徽安慶人，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：煤礦安全。E-mail: 1548309700@qq.com

TM932

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1672-7169(2017)02-0038-06