基于CAN總線的稱重設(shè)備，可把從稱重傳感器采集的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到CAN現(xiàn)場總線上，取代傳統(tǒng)的稱重儀表，使稱重設(shè)備在整個工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)隱形化和智能化。本課題針對中準確度等級的稱重設(shè)備，設(shè)計了具有總線功能的通信結(jié)構(gòu)。試驗用的儀表是一臺標準負荷測量儀。試驗用傳感器的檢定分度數(shù)符合3級秤的要求，通過對其進行靜態(tài)稱重試驗，采集數(shù)據(jù)，做計量研究分析。用標準負荷測量儀的示值與總線通信數(shù)據(jù)進行比較，通過對試驗數(shù)據(jù)的采集分析，判斷設(shè)備工作是否符合要求，同時測試通信數(shù)據(jù)是否準確可靠。

一、稱重設(shè)備的硬件設(shè)計

稱重設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)，主要由單片機、外部存儲器、電源電路、看門狗電路、CAN總線接口電路和傳感器采集電路組成。

1.單片機

本課題選用宏晶科技的STC12C5A60S2作為中央處理器。它處理速度快、功耗低、抗干擾能力強，集成了內(nèi)部復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換、大容量Flash、大容量SRAM、定時/計數(shù)器以及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊，功能穩(wěn)定強大。

2.外部存儲單元

外部存儲單元包括外部非易失性存儲器(E2PROM)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。非易失性存儲器選用Atmel公司的存儲芯片AT24C02，主要應(yīng)用于需要掉電保存歷史記錄;數(shù)據(jù)存儲器選取英特爾公司生產(chǎn)的6264RAM芯片，相當(dāng)于PC機中的內(nèi)存條，主要用來存放程序中間變量和參數(shù)。

3.看門狗電路

看門狗芯片選取MAX706。能夠在上電或斷電時產(chǎn)生復(fù)位信號，也能夠防止程序鎖死。為了保持系統(tǒng)的一致性，該設(shè)計不考慮單片機內(nèi)部的看門狗，而統(tǒng)一采用看門狗芯片進行監(jiān)控。

4.LED指示單元

紅綠雙色LED組成了設(shè)備狀態(tài)指示燈，參照CAN協(xié)議規(guī)范，指示燈的顏色及閃爍的含義如表1所示。

表1

5.傳感器信號采集電路

稱重傳感器信號采集電路采用電子秤常用的高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711。它內(nèi)部包含穩(wěn)壓電源和時鐘振蕩電路，可以減少一些外圍電路的設(shè)計，節(jié)省了元器件和布線空間。

6.系統(tǒng)電源

電路板上所有電子元器件都采用5V電壓供電，因此選用TI公司生產(chǎn)的開關(guān)電源芯片LM2575-5.0將現(xiàn)場總線上的24V電壓轉(zhuǎn)換為5V的標準電壓提供給電路板上的所有電子元器件。

7.現(xiàn)場總線接口電路

包括總線控制器芯片SJA1000、光耦和總線接收發(fā)送芯片PCA82C250。

采用恩智浦半導(dǎo)體的控制器芯片SJA1000來實現(xiàn)CAN總線中物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過編寫SJA1000的驅(qū)動程序，把應(yīng)用層建立在SJA1000的基礎(chǔ)之上。

CAN總線收發(fā)器PCA82C250可以在最大1Mbps的通信速率下進行工作。該芯片可以把控制器數(shù)據(jù)信號與總線的差分信號進行相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)傳輸和接收總線數(shù)據(jù)功能。

二、稱重設(shè)備的軟件設(shè)計

1.軟件架構(gòu)設(shè)計

軟件程序采用前后臺結(jié)構(gòu)，包括主程序和中斷程序，其中中斷程序為外部中斷程序。從開始進入稱重狀態(tài)后進行初始化和參數(shù)配置，然后判斷是否上線，如是則運行應(yīng)用程序，循環(huán)采集重量并往總線發(fā)送數(shù)據(jù);如否則進行錯誤診斷，排除故障后繼續(xù)判斷是否上線。

2.稱重傳感器數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計

串口通信線由管腳DOUT和TPD_SCK組成，當(dāng)管腳DOUT輸出的數(shù)據(jù)等于高電平時，表示未輸出采集數(shù)據(jù)，端口PD_SCK應(yīng)為低電平。當(dāng)管腳DOUT由高電平轉(zhuǎn)換成低電平后，端口PD_SCK會輸入25或者27個時鐘脈沖。從第一個時鐘脈沖的上升沿開始讀數(shù)，直到第24個脈沖被讀完，將讀出輸出24位數(shù)據(jù)的MSB。

3.CAN現(xiàn)場總線接口程序設(shè)計

CAN現(xiàn)場總線接口程序設(shè)計包括CAN控制器SJA1000的初始化、CAN對象類的設(shè)計和應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計。本課題設(shè)計的稱重設(shè)備是具備CAN現(xiàn)場總線通信能力的從站設(shè)備。

在設(shè)備上電和硬件復(fù)位后，為了配置CAN通信參數(shù)，需要先對CAN控制器SJA1000進行上電初始化。初始化首先進行關(guān)中斷，然后復(fù)位，之后設(shè)置接收代碼寄存器和屏蔽寄存器，再設(shè)置波特率和地址，最后設(shè)置輸出控制寄存器。完成后開中斷，打開操作模式，結(jié)束。

三、實驗設(shè)計與結(jié)果

1.實驗平臺的搭建

該實驗的測試平臺如圖2所示。傳感器采集的數(shù)據(jù)同時發(fā)送給標準負荷測量儀與CAN總線。

圖2

2.實驗結(jié)果和分析

USB轉(zhuǎn)CAN接口模塊通道選擇Channel0，網(wǎng)絡(luò)波特率選擇250kbps，設(shè)備MAC ID濾波范圍為000～7FF。上位機采用德國SYSTEC公司的USB轉(zhuǎn)CAN接口模塊，它能支持多達64個設(shè)備同時連接到上位機，網(wǎng)絡(luò)分析軟件為PCANView。壓力傳感器使用的是一只S型傳感器，它的準確度等級為C2級，最大量程為200kg，檢定分度值e=0.1kg。標準負荷測量儀的準確度為0.005%FS。傳感器和標準負荷測量儀經(jīng)檢驗是合格的，依據(jù)JJG539-1997《數(shù)字指示秤檢定規(guī)程》進行相關(guān)測試點的選擇。

以稱重砝碼為1.7kg時舉例，此地址包含8個字節(jié)，在PCANView上顯示時從左到右為低字節(jié)到高字節(jié)排列顯示?？稍O(shè)定左面第一位為小數(shù)點后第一位第二位是個位數(shù)，第三位是十位數(shù)，第四位是百位數(shù)，以此類推，單位為kg。程序運行后，在PCANView中顯示讀數(shù)為1.7kg。同時觀察標準負荷測量儀的示值，得到的測量值與CAN總線上傳輸?shù)闹凳且恢碌摹?/p>

本實驗證明在CAN總線上傳輸?shù)姆Q重數(shù)據(jù)是實時完整和有效的。通過本實驗，開發(fā)的稱重設(shè)備能夠連接到CAN總線上并能準確傳輸具有CAN接口的稱重設(shè)備采集信號并且通信正常，實現(xiàn)了預(yù)定的目標。