论文摘要：现今倾角传感器在工业自动化，工程机械，医疗设备等许多领域中得到广泛应用，但其大部分产品仅仅是独立的电气控制单元，无法与CAN网络接轨。该文应用MEMS加速度传感器和CAN总线为研究对象，选取C8051F040单片机作为主控制器，对系统中的加速度传感器芯片的特性以及CAN节点进行了研究设计。该文给出倾角传感器的总体硬件结构，CAN总线接口电路以及通讯报文和软件设计，结合插值运算提高报文精度，并通过实验验证了本设计的可行性。使倾角传感器能够与CAN网络识别，实现与CAN总线的数据通讯和资源共享。

　　论文关键词：倾斜角，倾斜角，加速度传感器，总线，传感器

　　0引言

　　许多应用领域中经常需要测量某个平面是否处于水平位置，或测量该平面相对于水平面的夹角。目前的大多数倾斜角传感器都是利用重力加速度来工作的，即所谓的“摆”的工作原理，根据“摆”在重力场内力图保持其铅垂方向的特性来设计的。由于加速度计的输出经处理可得到一个与倾斜角成正比的直流电压，因此可以利用加速度计测量物体相对于水平面的倾斜角。MEMS加速度计传感器体积小，重量轻，功耗小，启动快，成本低，可靠性高，易于实现数字化和智能化，SOC型单片机也因其高度集成化的优点得到广泛应用。而传统的控制系统，一般都采用一对一连线，使用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用集散系统DCS，通过总线如RS-485同上位机相连。这些系统的可靠性、稳定性和拓展性不好，而且布线复杂、成本较高。从以上背景出发，本设计涉及的主要内容是研究电容式MEMS加速度传感器的性能及其倾斜角测量的应用，设计并结合CAN总线接口，构成倾斜角传感器。适应工业控制领域传感器的发展方向，研究倾斜角测量技术和现场总线技术的相互结合与实际应用。

　　1CAN总线及CAN网络介绍

　　CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网是国际上应用最广泛的现场总线之一。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，位速率可高达1Mbps，具有现场总线开放式、数字式、多点通信的特点。由于CAN具有高可靠性和实用性，应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，可以应用在汽车控制系统，自动化电子领域中的各种部件（传感器、灯光、执行机构等）与主机连接组成CAN网络。同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗机械、家用电器及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

　　图1给出了一种以智能传感器，控制器，计算机，数字通信，网络系统等构成的自动控制系统。

　　图1

　　CAN网络两端通常连接两终端电阻，终端电阻可以防止数据在到达线路终端后像回声一样返回而干扰原始数据，从而保证数据的正确传送，根据ISO11898标准中描述，终端电阻一般取120欧姆。CAN网络的数据传输线通常为双向数据线，分为高位和低位数据线。所以，CAN网络中各节点间实际传输的物理电平为差分电平，为了防止外界电磁波干扰和向外辐射，两条数据线通常平行缠绕在一起，电位相反，电压和总等于常值。

　　2基于CAN总线的倾角传感器硬件设计

　　本例中倾角传感器以C8051F040为核心控制器。本硬件系统主要对加速度传感器的输出信号进行处理。主要包括：ADXL203加速度传感器、电压跟随、低通滤波、分压、AD转换、单片机及其外围电路等。传感器系统结构如图2所示。该硬件系统中，传感器输出的信号将首先通过信号保持电路，以提高传感器信号的带负载能力，避免了加速度信号的衰减，然后将信号通过一个低通滤波器，以除去信号中夹杂的随机干扰信号，再将信号通过AD转换，由模拟信号转换为数字信号送到单片机进行处理。

　　图2传感器硬件系统方框图

　　SiliconLaboratories公司出品的C8051F040单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与MCS-51完全兼容的指令内核。该单片机采用流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高指令执行效率。同时具备测控系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS总线以及CAN总线。C8051F040单片机采用FlashROM技术，集成JTAG，支持在线编程。C8051F040具有诸多特点和优越性，而且集成了CAN控制器，可以大大简化设计中CAN总线接口设计的电路，因此本课题选用该型号单片机为主控制芯片。

　　3倾角传感器通讯报文定义

　　CAN网络中各节点间传输的信息称之为报文（Message）。倾角传感器要和网络上其它电控单元进行通讯，需要对其传输的报文进行定义。数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始，仲裁场，控制场，数据场，CRC场，应答场和帧结束。CAN2.0A数据帧的组成如图3所示。

　　图3CAN2.0A数据帧的组成

　　4CAN总线节点软硬件设计

　　4.1CAN总线节点硬件设计

　　在CAN总线接口电路中，CAN控制器使用SiliconLaboratories公司的集成CAN控制器的微处理器C8051F040，只需在外部加入CAN收发器，这里使用德州公司生产的3.3VCAN总线收发器SN65HVD230，单片机通过控制自己集成的CAN控制器，就可以输出符合CAN总线协议的数据帧。通过SN65HVD230CAN收发器，与CAN总线物理层连接，单片机就可以在CAN总线上与其它节点通信了。4.2CAN总线节点软件设计

　　CAN总线节点的软件设计主要包括三大部分：CAN节点初始化，报文发送和报文接收。初始化程序设计主要包括工作方式的设置，时钟输出寄存器的设置，接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置，总线定时器的设置，输出控制寄存器的设置和中断允许寄存器的设置。

　　这里的加速度传感器智能节点的软件运行的主要任务是：C8051F040单片机通过3线主从SPI通信方式，控制AD转换芯片AD7705将加速度传感器输出的模拟测量信号进行数模转换，并读取转换得到的数字信号结果。在单片机中，对测量得到的数字信号进行数字滤波。同时，单片机控制其CAN总线接口工作，与CAN总线网络中的上位机节点和其它下位机节点实现CAN通信。单片机可以将得到的加速度传感器测量结果发送到其它CAN节点，也可以接受上位机发送过来的控制数据，并根据数据做出相应的处理和设置。由此可知，此节点的CAN通信主要包括系统初始化程序、SPI发送程序、SPI接收程序、数字滤波、CAN发送程序、CAN接收程序等。软件部分设计的好坏将直接决定系统能否正常工作，对于CAN总线系统的设计来说是一个难点，也是一个重点。图4为加速度传感器CAN节点的程序流程图。

　　图4传感器CAN节点的程序流程图

　　5线性化软件处理方法

　　本系统中如果输出D1时对应的角度为-45°，输出D2时表示角度45°，其输出值和角度对应关系可以由式（5.1）表示为：

　　D=a°*（D2-D1）/90°+D1（5.1）

　　其中，D表示角度对应的标准输出值，a为此时的标准角度。则测量值误差为：

　　ΔD=D-d（5.2）

　　其中，D表示角度对应的标准输出值，d表示实际的测量值。

　　因此我们用测量值误差值ΔD对实际测量输出值进行查表修正。修正子程序如下：

　　voiddeline（void）

　　{

　　if（temp>=line_point[0]）temp=temp-ΔD1;//减去误差值

　　elseif（temp>=line_point[1]）temp=temp-ΔD2;

　　elseif（temp>=line_point[2]）temp=temp-ΔD3;

　　…

　　…

　　…

　　elseif（temp>=line_point[17]）temp=temp-ΔD18;

　　elseif（temp>=line_point[18]）temp=temp-ΔD19;

　　elsetemp=temp-ΔD20;

　　}

　　6结语

　　本文应用内部集成CAN控制器的C8051F040单片机和CAN收发器SN65HVD230设计一种基于CAN总线的倾斜角传感器，使其从一个独立的电器单元成为CAN网络的一部分。

　　本文中涉及到的主要工作有硬件设计和软件设计两方面。硬件上，主要是设计MEMS传感器外围电路，包括低通滤波、AD转换、稳压等模块，单片机的CAN接口及其外围电路等。软件上，主要是AD芯片的SPI通信、数字滤波、非线性补偿、CAN接口驱动等程序。另外，本文中还对上位机CAN/RS-232转接点的软硬件进行了设计。最后，本文还测试了传感器的非线性误差，并进行了非线性补偿和误差分析工作。

　　参考文献

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