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【摘要】本文主要介绍了基于CAN总线的应力变送器软硬件设计，可应用于张紧装置等需要测试拉力的场所。应力信号通过应变电桥接入、由放大器放大，然后通过单片机脚采集、处理并转换信号输出；软件处理中则采用复合滤波法处理数据，平滑采样数据；该应力变送器通过液晶显示实际拉力，具有CAN总线接口、200Hz～1000Hz频率输出，并且具有调校功能，设计简单，稳定可靠。
【关键词】应变电阻；电桥；CAN总线；复合滤波
1.引言
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应；金属丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加；反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小[1]。利用金属丝的这种特性可将力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出，即通常所说的应变传感器。本文利用应变电阻设计了一种基于CAN总线的应力变送器，可用于张紧绞车等地方的拉力检测。
2.应力变送器硬件电路设计
应力变送器的硬件电路主要由信号采集放大电路，按键电路，显示电路，CAN总线输出、频率输出电路几部分组成。
2.1 信号采集、放大电路
将需要检测的应力通过应变电阻转化成变化的电阻信号，通过惠斯通电桥将变化的电阻信号装换成电压信号输出（如图1所示）。
图1中由R1、R2、R3、R4组成电桥，其中R4为应变电阻，Vref给电桥供电，AD+、AD-为电桥输出的随应力变化而改变的差分电压信号。因为AD+，AD-的差值只有毫伏级，电桥电源的微小波动都会对输出信号产生影响，导致放大采样后的大误差。基于此考虑电桥电源采用了精密基准源LM4040AIM3-8.192（见图2）供电，精度达到±0.1%，100ppm/°C，保证输出信号的精度。
电路设计为测试拉力在0～10t变化时AD+，AD-两脚的压差在0～10mV，由于信号非常微弱，因此需要将其放大后再引进单片机AD采样。放大电路采用仪表放大器AD623，它是美国模拟器件公司推出的一种低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压的仪表放大器[2]。AD623直流增益精度为0.1%（G=1），增益漂移25ppm（G=1）。另外它的输入共模范围很宽，应用非常简单，使用一只外接电阻即可设置高达1000的增益，从而给用户带来极大方便。如图3。
图中网络标号ANI脚输出电压UANI= （VAD+ - VAD -）*（1+100k/R10）。由公式可得，只要调节R10即可改变增益，从而可以很方便选取我们所需要的放大倍数。
图1，图2，图3中的电阻均采用低温漂的精密电阻。
2.2 单片机选用
应力变送器单片机采用microchip公司的PIC18F2480（图4），总共有28脚，芯片内集成了CAN控制器，简化了开发；另外，芯片内部还集成了EEPROM，调校完成后可将调校参数存储，而不用每次上电都重新调校。
2.3 CAN总线接口电路
CAN总线收发电路如图5。
接口电路中收发器采用AMIS42675[3]，经过实验验证，其驱动的总线电平高于常用的PCA82C250，并且其功耗要小于PCA82C250。CAN总线接口与MCU之间采用双路磁耦ADUM1201隔离。相比于高速光耦，磁耦时延小，并且其功耗也小很多。F13，F15，F16为瞬态抑制二极管，当总线上受到大的尖峰脉冲干扰的时候，能够对总线起到保护作用。
2.4 频率输出电路
图6中是频率输出电路，由于输出信号需要具备一定的驱动能力，因此在输出侧通过三极管V6增加输出频率信号的驱动能力。频率信号的正、负脉冲宽度不小于0.3ms，高电平不小于3V（拉出电流2mA），低电平不大于0.5V。L2为共模扼圈，F6为TVS管，用于滤除线上瞬变干扰。
2.5 按键电路设计
应力变送器设有3个按键，用于出厂调校。两个键用于参数的增减，另外一个键用于功能确认。电路设计如图7，按键不按时单片机引脚检测为高电平，按下后变为低电平。
2.6 显示电路设计
应力变送器需要人机交互的信息很少，主要是指示实际拉力以及调校时用于显示输出值，因此采用常见的2行16个字的液晶模块LCD1602即可。字符型LCD 通常有14条引脚线（8位数据线D1～D2，2根电源线VCC、GND，1根液晶显示偏压线VL，数据/命令选择线RS，读/写选择线RW，使能线E）或16条引脚线两种，多出来的2条线是背光电源线BL+（15脚）和地线BL-（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。 引脚与单片机连接见图8。
3.应力变送器软件设计
由于器件的差异性，应力变送器出厂需要调校，而调校的数据存在EEPROM中，上电后初始化液晶显示，读取调校值。进入主循环后对信号采样计算，换算成对应的应力送液晶显示，还有对应的CAN总线信号输出、频率信号输出。若在运行过程中发现有功能键按下，则进入调校程序。主程序框图见图9。
3.1 初始化函数void Pup_Ini（void ）
初始化函数主要对端口初始化，AD采样初始化，液晶LCD1602初始化，定时器初始化，并且读取EEPROM中的调校报警数值。
定时器设定一个固定中断时间，主要用于程序的心跳。CAN总线数据定时发送、AD采样间隔、液晶数据传送间隔都以此为基准根据实际需要乘以整数倍。另外频率信号的输出也通过在定时器中翻转I/O实现。
3.2 AD采样
AD采样是通过中断来实现的，在中断中读出采样值，并置标志位，在主循环中检测到标志位后对数据进行处理。 数字滤波法有用于克服大脉冲干扰的数字滤波法，也有适用抑制小幅度高频噪声的平均滤波法。在实际应用中，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑。因此常把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用，形成复合滤波。
应力变送器AD采样软件设计采用去极值平均滤波算法：先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均滤波。连续采样N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2个采样的平均值。显然，这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰[4]。
3.3 CAN总线数据发送
CAN总线数据输出采用定时发送的方式，数据的发送通过中断完成。在上电时CAN总线初始化时将发送中断使能位、发送中断标志位都置位使其进入发送中断。在中断中将需要输出的CAN总线数据填入发送缓冲区，并置位请求发送位。程序框图见图10。
3.4 LCD1602显示程序
LCD1602的显示主要要注意读写时序，对其进行每次读写操作前都必须进行读写检测。每次LCD1602进行操作的时候，需要对其判断是否处于忙的状态。如果是处于忙的状态，就需要等其忙完再对它进行读写操作。下面列出了LCD1602的读写函数。
4.调校
应力变送器设有3个按键，两个键用于参数的增减，另外两个按键一个用于键功能确认，按下后开始出厂标校，标校完成后将标校值存入EEPROM。需注意的是，实际硬件操作中，EEPROM的读、写都需要几毫秒的时间，因此程序中对时间有要求的地方要考虑到。
5.安装
本文开发的应力变送器目前主要应用在张紧系统中测试张力，产品设计为分立式结构。应变电桥封装在传感头中，信号放大处理部分在另外一个外壳中，现场安装时，信号放大处理显示部分可放易见易触摸的地方。传感头的安装见图11，传感头的两侧有两个圆孔，通过这两个空将应力部件串联在需测拉力钢缆中间，从而可测试出所测拉力。
6.结语
本文主要介绍了基于CAN总线的应力变送器软硬件设计，该应力变送器硬件设计实用可靠，软件设计考虑了抗干扰措施；并且具有液晶显示，CAN总线、频率信号输出，接口丰富，可配接多类系统，在用户中取得了良好的反响。
参考文献
[1]刘迎春，叶湘滨.传感器原理[M].国防科技大学出版社，2004，2.
[2]王建新，任勇峰，焦新泉.仪表放大器AD623在数采系统中的应用[J].微计算机信息.2007，23（3-1）.
[3]谢兵，杨帆，吴绍辉.增大CAN总线传输距离的设计方案[J].工矿自动化，2010（5）.
[4]程德福，林君.智能仪器[M].机械工业出版社，2009.
[5]李满昌，石伟，孙健等.基于以太网的高速数据采集系统设计[J].工程与实验，2010，50（2）：47-48.
作者简介：李冠华（1984—），男，辽宁辽阳人，助理工程师，研究方向：矿井数字化相关技术。
【关键词】应变电阻；电桥；CAN总线；复合滤波
1.引言
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应；金属丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加；反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小[1]。利用金属丝的这种特性可将力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出，即通常所说的应变传感器。本文利用应变电阻设计了一种基于CAN总线的应力变送器，可用于张紧绞车等地方的拉力检测。
2.应力变送器硬件电路设计
应力变送器的硬件电路主要由信号采集放大电路，按键电路，显示电路，CAN总线输出、频率输出电路几部分组成。
2.1 信号采集、放大电路
将需要检测的应力通过应变电阻转化成变化的电阻信号，通过惠斯通电桥将变化的电阻信号装换成电压信号输出（如图1所示）。
图1中由R1、R2、R3、R4组成电桥，其中R4为应变电阻，Vref给电桥供电，AD+、AD-为电桥输出的随应力变化而改变的差分电压信号。因为AD+，AD-的差值只有毫伏级，电桥电源的微小波动都会对输出信号产生影响，导致放大采样后的大误差。基于此考虑电桥电源采用了精密基准源LM4040AIM3-8.192（见图2）供电，精度达到±0.1%，100ppm/°C，保证输出信号的精度。
电路设计为测试拉力在0～10t变化时AD+，AD-两脚的压差在0～10mV，由于信号非常微弱，因此需要将其放大后再引进单片机AD采样。放大电路采用仪表放大器AD623，它是美国模拟器件公司推出的一种低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压的仪表放大器[2]。AD623直流增益精度为0.1%（G=1），增益漂移25ppm（G=1）。另外它的输入共模范围很宽，应用非常简单，使用一只外接电阻即可设置高达1000的增益，从而给用户带来极大方便。如图3。
图中网络标号ANI脚输出电压UANI= （VAD+ - VAD -）*（1+100k/R10）。由公式可得，只要调节R10即可改变增益，从而可以很方便选取我们所需要的放大倍数。
图1，图2，图3中的电阻均采用低温漂的精密电阻。
2.2 单片机选用
应力变送器单片机采用microchip公司的PIC18F2480（图4），总共有28脚，芯片内集成了CAN控制器，简化了开发；另外，芯片内部还集成了EEPROM，调校完成后可将调校参数存储，而不用每次上电都重新调校。
2.3 CAN总线接口电路
CAN总线收发电路如图5。
接口电路中收发器采用AMIS42675[3]，经过实验验证，其驱动的总线电平高于常用的PCA82C250，并且其功耗要小于PCA82C250。CAN总线接口与MCU之间采用双路磁耦ADUM1201隔离。相比于高速光耦，磁耦时延小，并且其功耗也小很多。F13，F15，F16为瞬态抑制二极管，当总线上受到大的尖峰脉冲干扰的时候，能够对总线起到保护作用。
2.4 频率输出电路
图6中是频率输出电路，由于输出信号需要具备一定的驱动能力，因此在输出侧通过三极管V6增加输出频率信号的驱动能力。频率信号的正、负脉冲宽度不小于0.3ms，高电平不小于3V（拉出电流2mA），低电平不大于0.5V。L2为共模扼圈，F6为TVS管，用于滤除线上瞬变干扰。
2.5 按键电路设计
应力变送器设有3个按键，用于出厂调校。两个键用于参数的增减，另外一个键用于功能确认。电路设计如图7，按键不按时单片机引脚检测为高电平，按下后变为低电平。
2.6 显示电路设计
应力变送器需要人机交互的信息很少，主要是指示实际拉力以及调校时用于显示输出值，因此采用常见的2行16个字的液晶模块LCD1602即可。字符型LCD 通常有14条引脚线（8位数据线D1～D2，2根电源线VCC、GND，1根液晶显示偏压线VL，数据/命令选择线RS，读/写选择线RW，使能线E）或16条引脚线两种，多出来的2条线是背光电源线BL+（15脚）和地线BL-（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。 引脚与单片机连接见图8。
3.应力变送器软件设计
由于器件的差异性，应力变送器出厂需要调校，而调校的数据存在EEPROM中，上电后初始化液晶显示，读取调校值。进入主循环后对信号采样计算，换算成对应的应力送液晶显示，还有对应的CAN总线信号输出、频率信号输出。若在运行过程中发现有功能键按下，则进入调校程序。主程序框图见图9。
3.1 初始化函数void Pup_Ini（void ）
初始化函数主要对端口初始化，AD采样初始化，液晶LCD1602初始化，定时器初始化，并且读取EEPROM中的调校报警数值。
定时器设定一个固定中断时间，主要用于程序的心跳。CAN总线数据定时发送、AD采样间隔、液晶数据传送间隔都以此为基准根据实际需要乘以整数倍。另外频率信号的输出也通过在定时器中翻转I/O实现。
3.2 AD采样
AD采样是通过中断来实现的，在中断中读出采样值，并置标志位，在主循环中检测到标志位后对数据进行处理。 数字滤波法有用于克服大脉冲干扰的数字滤波法，也有适用抑制小幅度高频噪声的平均滤波法。在实际应用中，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑。因此常把前面介绍的两种以上的方法结合起来使用，形成复合滤波。
应力变送器AD采样软件设计采用去极值平均滤波算法：先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均滤波。连续采样N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2个采样的平均值。显然，这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰[4]。
3.3 CAN总线数据发送
CAN总线数据输出采用定时发送的方式，数据的发送通过中断完成。在上电时CAN总线初始化时将发送中断使能位、发送中断标志位都置位使其进入发送中断。在中断中将需要输出的CAN总线数据填入发送缓冲区，并置位请求发送位。程序框图见图10。
3.4 LCD1602显示程序
LCD1602的显示主要要注意读写时序，对其进行每次读写操作前都必须进行读写检测。每次LCD1602进行操作的时候，需要对其判断是否处于忙的状态。如果是处于忙的状态，就需要等其忙完再对它进行读写操作。下面列出了LCD1602的读写函数。
4.调校
应力变送器设有3个按键，两个键用于参数的增减，另外两个按键一个用于键功能确认，按下后开始出厂标校，标校完成后将标校值存入EEPROM。需注意的是，实际硬件操作中，EEPROM的读、写都需要几毫秒的时间，因此程序中对时间有要求的地方要考虑到。
5.安装
本文开发的应力变送器目前主要应用在张紧系统中测试张力，产品设计为分立式结构。应变电桥封装在传感头中，信号放大处理部分在另外一个外壳中，现场安装时，信号放大处理显示部分可放易见易触摸的地方。传感头的安装见图11，传感头的两侧有两个圆孔，通过这两个空将应力部件串联在需测拉力钢缆中间，从而可测试出所测拉力。
6.结语
本文主要介绍了基于CAN总线的应力变送器软硬件设计，该应力变送器硬件设计实用可靠，软件设计考虑了抗干扰措施；并且具有液晶显示，CAN总线、频率信号输出，接口丰富，可配接多类系统，在用户中取得了良好的反响。
参考文献
[1]刘迎春，叶湘滨.传感器原理[M].国防科技大学出版社，2004，2.
[2]王建新，任勇峰，焦新泉.仪表放大器AD623在数采系统中的应用[J].微计算机信息.2007，23（3-1）.
[3]谢兵，杨帆，吴绍辉.增大CAN总线传输距离的设计方案[J].工矿自动化，2010（5）.
[4]程德福，林君.智能仪器[M].机械工业出版社，2009.
[5]李满昌，石伟，孙健等.基于以太网的高速数据采集系统设计[J].工程与实验，2010，50（2）：47-48.
作者简介：李冠华（1984—），男，辽宁辽阳人，助理工程师，研究方向：矿井数字化相关技术。