基于CAN總線的壓力傳感器設(shè)計

于云選，劉 慧，姜 晶

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，哈爾濱 150001）

基于CAN總線的壓力傳感器設(shè)計

于云選，劉 慧，姜 晶

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，哈爾濱 150001）

隨著總線技術(shù)在傳感器測量領(lǐng)域中的應(yīng)用,直接輸出數(shù)字信號的壓力傳感器己成為一大趨勢。本文設(shè)計了以一種基于CAN總線的壓力傳感器，與傳統(tǒng)的模擬量輸出壓力傳感器相比，本傳感器克服了在長距離傳輸過程中的信號衰減問題。同時，又有效地解決了通信距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率慢、誤碼率高、可靠性差等問題。另外，利用卡爾曼濾波算法對傳感器的輸出進(jìn)行平滑濾波，剔除較大噪聲，提高傳感器的穩(wěn)定度。傳感器的輸出的準(zhǔn)確度為：0.006 MPa；動態(tài)響應(yīng)：≥25 Hz。

CAN總線；壓力傳感器；卡爾曼濾波

引言

在某些復(fù)雜的工況環(huán)境下，對傳感器的安裝、布線、信號傳輸速率、抗干擾性等都有較為嚴(yán)格的要求。本文所述壓力傳感器的應(yīng)用現(xiàn)場情況比較復(fù)雜，傳統(tǒng)工業(yè)通信大多采用RS-232、RS-485、20 mA電流環(huán)等通信方式，普遍存在通信距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率慢、誤碼率高、可靠性差等問題。針對以上問題設(shè)計了采用CAN總線作為信號傳輸方式的壓力傳感器，CAN總線通信最高速率可達(dá)1 Mbps、傳輸速率為5 kbps時，采用雙絞線，傳輸距離可達(dá)10 km，并且數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，CAN總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。

1 傳感器組成與測試原理

1.1 傳感器組成

基于CAN總線的壓力傳感器對應(yīng)一塊調(diào)理電路板，與其壓力敏感元件封裝在一個殼體內(nèi)，降低從電纜進(jìn)入的電磁干擾。信號調(diào)理電路的作用主要包括：為供電電路、信號放大、濾波電路、單片機(jī)信號補(bǔ)償、保護(hù)等，它直接決定著傳感器的總體性能是否滿足各項(xiàng)指標(biāo)。當(dāng)敏感元件感應(yīng)到信號后，經(jīng)放大電路對信號放大后由濾波電路對信號處理，而后經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，最后輸出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號。傳感器電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 壓力信號測量原理

傳感器敏感元件，采用壓阻式原理完成壓力信號的拾取和測量。所謂壓阻式原理是指在半導(dǎo)體材料在受到應(yīng)力作用時，由于應(yīng)力引起能帶的變化，能谷的能量移動，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。本傳感器的敏感芯體采用MEMS（Microelectromechanical Systems）工藝技術(shù)加工完成。在硅片構(gòu)成的傳感器芯體上腐蝕出一個由四個等值電阻所構(gòu)成的惠斯通電橋，通過該電橋完成壓力與電壓值的轉(zhuǎn)換。當(dāng)未受應(yīng)力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)受到應(yīng)力作用時，電橋的平衡被打破，從而輸出電壓，該電壓與受到應(yīng)力大小成比例。

壓阻效應(yīng)所引起的電阻相對變化為：

式中：

ρ——半導(dǎo)體材料的電阻率；

?ρ——受應(yīng)力后的電阻率變化；

E——材料的彈性模量；

π——沿晶向L的壓阻系數(shù)；

δ——沿晶向L的應(yīng)力；

ε——沿晶向L的應(yīng)變。

半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)是由于在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列發(fā)生變化，即其晶格間距改變，禁帶寬度變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化。

圖1 傳感器電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 CAN總線程序

2.1 CAN總線程序設(shè)計

在主程序中循環(huán)進(jìn)行AD 采集、數(shù)字濾波、溫度采集、壓力計算程序。通過CAN 接收中斷，接收主控制器命令進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。在相應(yīng)工作模式中使用對應(yīng)時間基準(zhǔn)中斷由主控制器同步發(fā)送數(shù)據(jù)。程序流程框圖如圖2所示。

3 傳感器補(bǔ)償方法

壓阻式壓力傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)包括非線性、零點(diǎn)輸出、靈敏度以及溫漂等，為了保證傳感器的輸出滿足最終的使用要求，需要通過數(shù)學(xué)物理方法為傳感器進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償。由于所設(shè)計的傳感器是基于CAN總線輸出的數(shù)字傳感器，所以可以更好利傳感器中的微處理器在其中通過軟件算法完成傳感器參數(shù)的補(bǔ)償。具體方法為在規(guī)定的使用壓力和溫度工作范圍內(nèi)，采用最小二乘法分段擬合壓力A/D值和溫度A/D值，擬合原始的溫度壓力輸出曲線，并通過卡爾曼濾波算法對傳感器的輸出進(jìn)行平滑該曲線，剔除較大噪聲，進(jìn)一步提高傳感器的穩(wěn)定度。

卡爾曼濾波算法動態(tài)模型如下：

系統(tǒng)狀態(tài)方程：

式中：

圖2 程序結(jié)構(gòu)圖

X（k）——k時刻的系統(tǒng)狀態(tài)；

A 、B——參數(shù)；

U（k）——k時刻對系統(tǒng)的控制量；

W（k）——高斯白噪聲；

測量方程：

式中：

Z（k）——k 時刻的測量值；

H ——測量系統(tǒng)的參數(shù)；

V（k）——高斯白噪聲。

溫度補(bǔ)償過程具體步驟如下：

1）經(jīng)過多次標(biāo)定，利用最小二乘法曲線擬合出在特定溫度區(qū)間下的壓力輸出曲線。

2）讀取溫度A/D值，判斷該值所在的溫度區(qū)間，從而確定壓力輸出曲線。

3）讀取壓力A/D值，通過已經(jīng)確定的壓力輸出曲線，得到實(shí)際壓力值。

4）多次測量，利用卡爾曼濾波算法，計算出穩(wěn)定的壓力輸出值并通過CAN總線輸出。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) （見表1）

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過采用卡爾曼濾波算法，有效地修正了傳感器的準(zhǔn)確度。使傳感器的準(zhǔn)確度有效地控制在0.006 MPa范圍內(nèi)，滿足實(shí)際使用需求。

表1 傳感器溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于CAN總線輸出的壓力傳感器，介紹了其硬件電路的系統(tǒng)組成，軟件程序流程圖，以及采用卡爾曼濾波算法對其進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)姆椒?。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以看出傳感器測量的準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.006 Mpa，滿足實(shí)際使用需求。

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Design of Pressure Sensor Based on CAN-bus

YU Yun-xuan, LIU Hui, JIANG Jing
(49th Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation, Harbin 150001)

With the application of bus technology in the field of sensor measurement, direct output digital signal pressure sensor has become a major trend. In this paper, a kind of pressure sensor based on CAN bus is designed. Compared with the traditional analog output pressure sensor, the sensor overcomes the problem of signal attenuation in long distance transmission. Simultaneously, it also solves the problems of short communication distance, slow data transmission rate, high bit error rate and poor reliability. In addition, the Kalman filter is used to smooth the output of the sensor, eliminate large noise, and improve the stability of the sensor. The accuracy of the sensor output is 0.006 MPa, and dynamic response is ≥25 Hz.

CAN-bus; pressure sensor; Kalman filtering

TP212.1

A

1004-7204（2017）03-0052-03

于云選（1982-），男，本科，工程師，主要從事智能傳感器及測量技術(shù)工作。