基于MC9S08DZ60的CAN总线振动传感器设计

1 引言

　　随着人们安全意识的不断提高设备的安全监测显得越发重要。各种在线监测设备层出不穷，但大多都受到传统总线速率较低，传输精度不高的限制。CAN总线以其在汽车行业内实时、可靠、灵活的应用而备受瞩目，进而不断有其他领域的CAN总线应用产品出现，基于CAN 总线的振动传感器正是其中一种，组网后的传感器能够很好地实现大型装置的在线监测，为企业的安全生产奠定了基础。

2 器件简介

　　2.1 MC9S08DZ60单片机

　　飞思卡尔公司的MC9S08DZ系列单机片内嵌 CAN的微控制器，并将内嵌的CAN、EPROM和片上仿真/调试模块组合在一起，集成了所有的功能，设计人员可以便捷地转向其设计流程。 MC9S08DZ60型单机片可提供60 KB的片上flash、4 KB的片上RAM、2 KB的E2PROM。它具有串行通信接口(SCI)、串行外设接口(SPI)、看门狗定时器(COP Watch-dog)、多达24通道的12 bit的A/D转换模块，另外还有I2C总线模块和多个定时器、计数器等。其独特的片上仿真/调试模块(BDG)更是大大简化设计，从而确保了 MC9S08DZ60在汽车和工控的应用地位。

　　2.2 AD536A有效值转换器

　　AD536A是一款有效值转换器。它可以连续、实时地计算输入信号的平方、平均值。且得到的直流电压值正比于输入信号的有效值RMS。AD536A具有相当大的响应带宽，在输入有效值大于100 mV时.带宽为450 kHz，而输入大于1 V时，带宽增大到2 MHz。1.2 mA的静态工作电流和宽泛的工作温度使其应用广泛。

　　AD536A计算RMS时，首先求得绝对值(整流电路);然后进行平方计算：最后是平均计算，即除以反馈的输出电压;再经滤波得出结果。这里要求平均的时间常数要远大于待测信号的周期，这样才能保证测试精度。

　　2.3 TJA1040 CAN收发器

　　TJA1040是一款高速CAN收发器，与PCA82C250/251引脚相兼容，TJA1040还提供不上电环境下理想的无源特性。TJA1040和 PCA82C250/251相比较，具有以下几点优势：(1)如果不上电，总线上完全无源;如果VCC关闭，总线上看不到。(2)在待机模式时电流消耗极低，最大电流仅为15μA。(3)改良的电磁辐射EME性能。(4)改良的电磁抗干扰EMI性能。(5)SPLIT引脚代替Vref。引脚对总线的DC稳压很有效。

　　TJA1040向下兼容PCA82C250/251，并且可在已有PCA82C250/251的应用中使用，而硬件和软件无需任何修改。

3 系统硬件结构

　　整个传感器包括采集、滤波放大、A/D转换、数据处理上传等模块，如图1所示。采集模块使用环形剪切的传感器，将装置的振动量转变为响应的微小电压后送人滤波放大电路。信号经放大滤波电路分成：高频加速度、低频加速度、速度、位移4个测量参数再传输到有效值转换。这些信号经有效值转换和单片机A/D转换模块后存入单片机，再经由CAN总线网络上传至主控机备份。

3.1 滤波放大模块

图2为滤波放大模块组成框图，南于压电陶瓷转变后的电信号含有噪声，前端的电压跟随主要是去噪放大。系统将对1O Hz～1 kHz内的信号进行分析，其中包括10 Hz两级高通加速度、10 Hz～1 kHz低频加速度，10 Hz～1 kHz低频速度、10 Hz～1 kHz低频位移。它们经单片机控制的多路开关传输至有效值转换器。这里积分器并没有采用典型积分方式，而是采用一种近似的方法，如图3所示。这种方式能够有效减少噪声，保证纯净信号。






4 系统软件设计

　　系统软件设计主要包括数据采集存储和CAN通信两大模块。上电初始化后，单片机开始采集A/D转换信号，按照高频加速度、低频加速度、速度、位移的次序采集信号，并存储到片上存储单元。而与主机的CAN通信将以中断形式完成。图5为系统整体流程。

　　
4.1 采集存储程序设计

　　由有效值转换器输出的数据将接人片上A/D转换模块，MC9S08DZ60单片机提供 24路12 bit的A/D转换模块。上电后对该模块初始化操作，典型的初始化方式：(1)更新配置寄存器ADDCFG用以选择A/D转换器的时钟源和设定内部时钟频率ADCK。该寄存器还可设置采样时间等参数。(2)更新状态控制寄存器ADCSC2，该寄存器可设定转换的触发方式，如果作为比较器使用时还可设定比较方式。(3)更新状态控制寄存器ADCSC1，该寄存器可用来设定转换方式，即持续转换和单次转换。该寄存器还可设定转换通道以及转换完成后是否触发中断。转换后的数据存入结果寄存器ADCRL和ADCRH供系统调用。

系统上电初始化后，系统主程序按照高频加速度、低频加速度、速度、位移的顺序依次设定模拟开关，为防止因刚刚选定通道后信号不稳定而造成测量失真，因此需加入一段延时程序。延时过后，片上A/D转换器模块采集原始和10倍信号，与门限对比后，存入存储单元。为保证数据的有效性，采用采集多组数据后平