CN104345176A - 一种自校准数字加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种自校准数字加速度传感器，属于传感器的技术领域；一种体积小、传输可靠性较高、且通讯线路简单的自校准数字加速度传感器；采用的技术方案为：依次电连接的信号采集模块、信号调理模块、微处理器控制模块和通讯模块，所述微处理器控制模块包括A/D转换单元、CPU、内部温度传感器和CAN控制器，所述通讯模块包括CAN收发器U4；适用于传感器应用的领域。
Description
技术领域
本发明一种自校准数字加速度传感器，属于传感器的技术领域。
背景技术
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件；传统的数字加速度传感器是利用前端敏感元件对被测点的加速度信号转化为相应的电信号，该敏感元件是利用单晶硅材料的压阻效应制成的，由于单晶硅材料对温度变化比较敏感，使得传感器容易受到温度漂移的影响，产生误差，导致数字加速度传感器测量精度降低；为解决数字加速度传感器测量精度的问题，常用的做法是通过在传感器中增加外部温度传感器，采用温度补偿的方法，降低温度变化对数字加速度传感器的影响，这种没有自校准功能的传感器由于增加了额外的温度传感器设备，导致数字加速度传感器的体积变大、质量增加，且增加工作时的电量消耗，使得数字加速度传感器可用性降低。
此外，在数字加速度传感器传输信息过程中，目前常用的数字加速度传感器大多使用RS422或RS485总线协议方式传输，这种组网方式，不仅线路复杂，而且该网络结构对主节点的可靠性要求极高，一旦主节点出现故障，则会导致整个系统处于瘫痪，降低传输过程可靠性；随着传感器技术和微处理器技术的发展，不仅对数字加速度传感器的精确度、可靠性要求越来越高，而且要求数字加速度传感器的成本较低、使用时较便利；因此，一种体积小、传输可靠性较高、且通讯线路简单的自校准数字加速度传感器显得有尤为重要。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种体积小、传输可靠性较高、且通讯线路简单的自校准数字加速度传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种自校准数字加速度传感器，包括：依次电连接的信号采集模块、信号调理模块、微处理器控制模块和通讯模块，所述微处理器控制模块包括A/D转换单元和CPU，所述微处理器控制模块还包括内部温度传感器和CAN控制器，所述通讯模块包括CAN收发器U4；
所述通讯模块还包括CAN总线接口电路，所述CAN总线接口电路包括光耦合器U2、光耦合器U3、电源单元U1；所述光耦合器U2的负极串接电阻R3后与所述CAN控制器的接收端CANRX相连，所述光耦合器U2的正极串接电阻R2后与所述电源单元U1的VIN电源输入端相连，所述光耦合器U2的VCC电源端并接电阻R6的一端、电阻R8的一端、电容C6的一端后与电源单元U1的VOUT电源输出端相连，所述电阻R6的另一端与光耦合器U2的集电极相连，所述电阻R8的另一端并接光耦合器U2的发射极后、电容C4的一端后与所述CAN收发器U4的TXD发送端相连，所述电容C4的另一端并接光耦合器U2的GND接地端、电容C6的另一端后接地；所述光耦合器U3的VCC电源端并接电阻R4的一端、电阻R5的一端后与电容C4的一端相连，所述电阻R4的另一端与光耦合器U3的集电极相连，所述电阻R5的另一端并接电阻R1的一端、电容C3的一端后与光耦合器U3的发射极相连，所述电容C3的另一端并接光耦合器U3的GND接地端、电容C3的另一端后接地，所述电阻R1的另一端与所述CAN控制器的发送端CANTX相连，所述光耦合器U3的正极串接电阻R7后与所述电源单元U1的VOUT电源输出端相连，所述光耦合器U3的负极与CAN收发器U4的RXD发送端相连；所述CAN收发器U4的GND端串接电容C5后与所述CAN收发器U4的VCC端相连，所述CAN收发器U4的S端与所述 CAN控制器（7）的模式选择端C1相连，所述CAN收发器U4的参考电压端VREF接地，所述CAN收发器U4的CANH端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端并接二极管D1的负极、电阻R11的一端、电容C9的一端后与外部通信端CANH1相连，所述CAN收发器U4的CANL端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端并接二极管D2的负极、电阻R12的一端、电容C10的一端后与外部通信端CANL1端相连，所述二极管D1的正极和所述电容D2的正极相连后接地，所述电阻R11的另一端并接电阻R12的另一端后与电容C8的一端相连，所述电容C9的另一端并接电容C10的另一端后与电容C8的另一端相连；所述电源单元U1的第一接地端GND1并接所述电源芯片U1的第二接地端GND2后与电容C1的一端相连，所述电源芯片U1的VIN电源输入端与第二接地端GND2之间并接电容C1，所述电源芯片U1的VOUT电源输出端与0V电源输出端之间并接电容C7；所述电源芯片U1的型号为DCP020505，所述光耦合器U2、光耦合器U3均为HCPL0600，所述CAN收发器U4的型号为TJA1050TD。
所述信号调理模块包括信号调理电路，所述信号调理电路包括运放芯片U5、运放芯片U6；所述运放芯片U5的反相输入端并接电阻R15的另一端后与电阻R16的一端相连，所述电阻R15的另一端并接电阻R14的一端、稳压二极管D3的一端后与电阻R13的一端相连，所述稳压二极管D3的另一端接地，所述电阻R13的另一端连接+5V电压，所述电阻R14的另一端并接运放芯片U5的同相输入端后与电容C12的一端相连，电容C12的并接电蓉C11的一端后与电阻R18的一端相连，所述电容C11的另一端与信号采集模块的输出端A0相连；所述运放芯片U5的输出端并接电阻R18的另一端、电阻R16的另一端后与电阻R17的一端相连，所述运放芯片U5的电源负端并接电容C13的一端后与-15V电压相连，所述运放芯片U5的电源正端并接电容C14的一端后与+15V电压相连，所述电容C13的另一端和电容C14的另一端均接地； 所述运放芯片U6的同相输入端并接所述电阻R17的另一端后与电容C17的一端相连，所述电容C17的另一端接地，所述运放芯片U6的反相输入端并接所述运放芯片U6的输出端、二极管D4的一端后与和所述控制模块的输入端B1相连，所述二极管D3的另一端接地；所述运放芯片U6的电源负端并接电容C15的一端后与-15V电压相连，所述运放芯片U6的电源正端并接电容C16的一端后与+15V电压相连，所述电容C13的另一端和电容C14的另一端均接地，所述运放芯片U5、运放芯片U6均为TL4581；所述微处理器控制模块为C8051F500单片机。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中的一种自校准数字加速度传感器主要包括信号采集元件、信号调理模块，微处理器控制模块和通讯模块，微处理器控制模块包括A/D转换单元、CPU、CAN控制器和内部温度传感器，信号采集元件将探测到的加速度信号通过信号调理模块对信号进行放大、滤波，通过微处理器控制模块来控制内部的A/D转换单元完成模拟信号到数字信号的转换，并利用内部温度传感器为数字加速度传感器的温度补偿提供依据；利用内部集成的CAN控制器和外部通信模块完成数据的发送和接收；本发明避免了独立A/D转换单元、外部温度传感器和CAN控制器的接入，使得数字加速度传感器电路结构简单、精度较高，减小了传感器的体积和重量，通过CAN总线方式进行数据的传输，与传统RS422或RS485方式相比，具有数据通信线路简单、实时性强、可靠性高、组网灵活实时性强的优点。
2、本发明中，由于通信模块中采用了型号为TJA1050TD的CAN收发器，可增强对总线的差动接收、发送能力，具有抗瞬间干扰、保护总线的能力，满足1Mbps的传输速度要求；采用了型号为HCPL0600的高速光耦，实现了CAN收发器和控制模块之间的电气隔离，保护了控制系统电路，此外在电源部分，采用了DCP020505的电源模块，使得总线电源和控制系统电源隔离，提高了整个传感器的抗干扰程度。
附图说明，
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明的信息调理模块的电路原理图；
图3为本发明的通信模块的电路原理图；
图4为本发明的初始化流程图；
图5为本发明的数据采集和校准流程图；
图6为本发明的CAN通信流程图；
图中：1为信号采集模块，2为信号调理模块，3为微处理器控制模块，4为通讯模块，5为A/D转换单元，6为内部温度传感器，7为CAN控制器。
具体实施方式
如图1所示，一种自校准数字加速度传感器，包括：依次电连接的信号采集模块1、信号调理模块2、微处理器控制模块3和通讯模块4，所述微处理器控制模块3包括A/D转换单元5和CPU，其特征在于：所述微处理器控制模块3还包括内部温度传感器6和CAN控制器7，所述通讯模块4包括CAN收发器U4、CAN总线接口电路，所述微处理器控制模块3为C8051F500单片机；本实施例中，所述信号采集模块1将探测到的加速度信号通过信号调理模块2对信号进行放大、滤波，并通过微处理器控制模块3内部的12位A/D转换单元5完成模拟信号到数字信号的转换；具体地，利用内部温度传感器6提供的温度补偿依据，完成对数字信号的处理；之后利用述微处理器控制模块3内部集成兼容CAN2.0A、CAN2.0B协议的CAN控制器7和外部CAN控制器U4完成数据的发送和接收；
如图2所示，由于信号采集模块1的输出信号一般比较微弱，需要通过信号调理模块2对其进行放大，以符合A/D转换单元5可以处理的电压范围，所述信号调理模块2包括信号调理电路，所述信号调理电路包括运放芯片U5、运放芯片U6，所述运放芯片U5、运放芯片U6均为TL4581；所述运放芯片U5的反相输入端并接电阻R15的另一端后与电阻R16的一端相连，所述电阻R15的另一端并接电阻R14的一端、稳压二极管D3的一端后与电阻R13的一端相连，所述稳压二极管D3的另一端接地，所述电阻R13的另一端连接+5V电压，所述电阻R14的另一端并接运放芯片U5的同相输入端后与电容C12的一端相连，电容C12的并接电蓉C11的一端后与电阻R18的一端相连，所述电容C11的另一端与信号采集模块1的输出端A0相连；所述运放芯片U5的输出端并接电阻R18的另一端、电阻R16的另一端后与电阻R17的一端相连，所述运放芯片U5的电源负端并接电容C13的一端后与-15V电压相连，所述运放芯片U5的电源正端并接电容C14的一端后与+15V电压相连，所述电容C13的另一端和电容C14的另一端均接地；所述运放芯片U6的同相输入端并接所述电阻R17的另一端后与电容C17的一端相连，所述电容C17的另一端接地，所述运放芯片U6的反相输入端并接所述运放芯片U6的输出端、二极管D4的一端后与和所述控制模块3的输入端B1相连，所述二极管D3的另一端接地；所述运放芯片U6的电源负端并接电容C15的一端后与-15V电压相连，所述运放芯片U6的电源正端并接电容C16的一端后与+15V电压相连，所述电容C13的另一端和电容C14的另一端均接地。
如图3所示，所述通讯模块4包括：型号为TJA1050TD 的CAN收发器U4和CAN总线接口电路；所述CAN总线接口电路包括光耦合器U2、光耦合器U3、电源单元U1，所述光耦合器U2、光耦合器U3均为HCPL0600，所述电源芯片U1的型号为DCP020505；
所述光耦合器U2的负极串接电阻R3后与所述CAN控制器7的接收端CANRX相连，所述光耦合器U2的正极串接电阻R2后与所述电源单元U1的VIN电源输入端相连，所述光耦合器U2的VCC电源端并接电阻R6的一端、电阻R8的一端、电容C6的一端后与电源单元U1的VOUT电源输出端相连，所述电阻R6的另一端与光耦合器U2的集电极相连，所述电阻R8的另一端并接光耦合器U2的发射极后、电容C4的一端后与所述CAN收发器U4的TXD发送端相连，所述电容C4的另一端并接光耦合器U2的GND接地端、电容C6的另一端后接地；
所述光耦合器U3的VCC电源端并接电阻R4的一端、电阻R5的一端后与电容C4的一端相连，所述电阻R4的另一端与光耦合器U3的集电极相连，所述电阻R5的另一端并接电阻R1的一端、电容C3的一端后与光耦合器U3的发射极相连，所述电容C3的另一端并接光耦合器U3的GND接地端、电容C3的另一端后接地，所述电阻R1的另一端与所述CAN控制器7的发送端CANTX相连，所述光耦合器U3的正极串接电阻R7后与所述电源单元U1的VOUT电源输出端相连，所述光耦合器U3的负极与CAN收发器U4的RXD发送端相连；
所述CAN收发器U4的GND端串接电容C5后与所述CAN收发器U4的VCC端相连，所述CAN收发器U4的S端与所述 CAN控制器7的模式选择端C1相连，所述CAN收发器U4的参考电压端VREF接地，所述CAN收发器U4的CANH端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端并接二极管D1的负极、电阻R11的一端、电容C9的一端后与外部通信端CANH1相连，所述CAN收发器U4的CANL端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端并接二极管D2的负极、电阻R12的一端、电容C10的一端后与外部通信端CANL1端相连，所述二极管D1的正极和所述电容D2的正极相连后接地，所述电阻R11的另一端并接电阻R12的另一端后与电容C8的一端相连，所述电容C9的另一端并接电容C10的另一端后与电容C8的另一端相连；
所述电源单元U1的第一接地端GND1并接所述电源芯片U1的第二接地端GND2后与电容C1的一端相连，所述电源芯片U1的VIN电源输入端与第二接地端GND2之间并接电容C1，所述电源芯片U1的VOUT电源输出端与0V电源输出端之间并接电容C7，所述CAN收发器U4的型号为TJA1050TD。
如图4、5、6所示，为实现模拟量数据到数字量数据的转换、数字量数据的处理和数字量数据以CAN协议的标准帧格式的发送和接收，本实施例包括：初始化模块，主处理模块、数据采集模块、数据校准模块、CAN消息发送模块和CAN消息接收模块；具体地，在系统自动上电复位后，CPU中的寄存器中的值处于原始状态，为了保证按照系统要求完成预定设置，需要进行初始化，包括系统时钟初始化配置，IO端口初始化，定时器2初始化，初始化配置内部模数转换器，CAN寄存器初始化；进一步地，为依照CAN协议发送数据，必须将采集得到的模拟信号转换为数字信号，为减小传感器体积，采用微处理器控制模块3内部集成的12位A/D转换单元5进行模数转化，参考电压选用内部偏置电压源提供的2.20V的直流电压，由于采样电压范围为0-5V，而参考电压仅仅为2.20V，所以在AD采样的前端增加一个0.44的输入增益，为提高采样精度，选择采样方式为Timer2溢出触发AD转换，以Timer2的计时时间来作为ADC的采样周期；当完成信号采样后，微处理器控制模块3读取内部温度传感器的值，得到当前的环境温度T，根据采集到的电压值U和温度T，参考存储在微处理器控制模块3内部的插值表，得出当前测量到的g值，存入发送数据缓存；当总线上有数据传输时，节点会把总线上的数据存入消息RAM中，完成数据的接收，若接收的数据为开始采集命令，则CPU开始进行AD转换，当发送数据缓存的数据存满8个字节后，调用CAN消息发送函数，当数据成功发送到CAN总线上，并且成功的被其他节点接收后，会引发CAN发送中断，从而告知CPU数据帧发送完成，若接收的数据为停止采集命令，则CPU关闭ADC，停止信号的采集。
本发明中，型号为C8051F500的微处理器控制模块3，包括A/D转换单元5、CPU、内部温度传感器6和CAN控制器7，避免了传统的数字加速度传感器独立ADC、外部温度传感器和CAN控制器的接入，使得数字加速度传感器电路结构简单、精度较高，减小了传感器的体积和重量；本发明通过CAN总线方式进行数据的传输，具有数据通信实时性强、可靠性高、组网灵活实时性强的优点，解决了传统的数字加速度传感器测量精度较低、传输可靠性较低的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步；上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种自校准数字加速度传感器，包括：依次电连接的信号采集模块（1）、信号调理模块（2）、微处理器控制模块（3）和通讯模块（4），所述微处理器控制模块（3）包括A/D转换单元（5）和CPU，其特征在于：所述微处理器控制模块（3）还包括内部温度传感器（6）和CAN控制器（7），所述通讯模块（4）包括CAN收发器U4。
2.根据权利要求1所述的一种自校准数字加速度传感器，其特征在于：所述通讯模块（4）还包括CAN总线接口电路，所述CAN总线接口电路包括光耦合器U2、光耦合器U3、电源单元U1；
所述光耦合器U2的负极串接电阻R3后与所述CAN控制器（7）的接收端CANRX相连，所述光耦合器U2的正极串接电阻R2后与所述电源单元U1的VIN电源输入端相连，所述光耦合器U2的VCC电源端并接电阻R6的一端、电阻R8的一端、电容C6的一端后与电源单元U1的VOUT电源输出端相连，所述电阻R6的另一端与光耦合器U2的集电极相连，所述电阻R8的另一端并接光耦合器U2的发射极后、电容C4的一端后与所述CAN收发器U4的TXD发送端相连，所述电容C4的另一端并接光耦合器U2的GND接地端、电容C6的另一端后接地；
所述光耦合器U3的VCC电源端并接电阻R4的一端、电阻R5的一端后与电容C4的一端相连，所述电阻R4的另一端与光耦合器U3的集电极相连，所述电阻R5的另一端并接电阻R1的一端、电容C3的一端后与光耦合器U3的发射极相连，所述电容C3的另一端并接光耦合器U3的GND接地端、电容C3的另一端后接地，所述电阻R1的另一端与所述CAN控制器（7）的发送端CANTX相连，所述光耦合器U3的正极串接电阻R7后与所述电源单元U1的VOUT电源输出端相连，所述光耦合器U3的负极与CAN收发器U4的RXD发送端相连；
所述CAN收发器U4的GND端串接电容C5后与所述CAN收发器U4的VCC端相连，所述CAN收发器U4的S端与所述 CAN控制器（7）的模式选择端C1相连，所述CAN收发器U4的参考电压端VREF接地，所述CAN收发器U4的CANH端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端并接二极管D1的负极、电阻R11的一端、电容C9的一端后与外部通信端CANH1相连，所述CAN收发器U4的CANL端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端并接二极管D2的负极、电阻R12的一端、电容C10的一端后与外部通信端CANL1端相连，所述二极管D1的正极和所述电容D2的正极相连后接地，所述电阻R11的另一端并接电阻R12的另一端后与电容C8的一端相连，所述电容C9的另一端并接电容C10的另一端后与电容C8的另一端相连；
所述电源单元U1的第一接地端GND1并接所述电源芯片U1的第二接地端GND2后与电容C1的一端相连，所述电源芯片U1的VIN电源输入端与第二接地端GND2之间并接电容C1，所述电源芯片U1的VOUT电源输出端与0V电源输出端之间并接电容C7。
3.根据权利要求2所述的一种自校准数字加速度传感器，其特征在于：所述电源芯片U1的型号为DCP020505，所述光耦合器U2、光耦合器U3均为HCPL0600，所述CAN收发器U4的型号为TJA1050TD。
4.根据权利要求1所述的一种自校准数字加速度传感器，其特征在于：所述信号调理模块（2）包括信号调理电路，所述信号调理电路包括运放芯片U5、运放芯片U6；
所述运放芯片U5的反相输入端并接电阻R15的另一端后与电阻R16的一端相连，所述电阻R15的另一端并接电阻R14的一端、稳压二极管D3的一端后与电阻R13的一端相连，所述稳压二极管D3的另一端接地，所述电阻R13的另一端连接+5V电压，所述电阻R14的另一端并接运放芯片U5的同相输入端后与电容C12的一端相连，电容C12的并接电蓉C11的一端后与电阻R18的一端相连，所述电容C11的另一端与信号采集模块（1）的输出端A0相连；所述运放芯片U5的输出端并接电阻R18的另一端、电阻R16的另一端后与电阻R17的一端相连，所述运放芯片U5的电源负端并接电容C13的一端后与-15V电压相连，所述运放芯片U5的电源正端并接电容C14的一端后与+15V电压相连，所述电容C13的另一端和电容C14的另一端均接地；
所述运放芯片U6的同相输入端并接所述电阻R17的另一端后与电容C17的一端相连，所述电容C17的另一端接地，所述运放芯片U6的反相输入端并接所述运放芯片U6的输出端、二极管D4的一端后与和所述控制模块（3）的输入端B1相连，所述二极管D3的另一端接地；所述运放芯片U6的电源负端并接电容C15的一端后与-15V电压相连，所述运放芯片U6的电源正端并接电容C16的一端后与+15V电压相连，所述电容C13的另一端和电容C14的另一端均接地。
5.根据权利要求5所述的一种自校准数字加速度传感器，其特征在于：所述运放芯片U5、运放芯片U6均为TL4581。
6.根据权利要求1所述的一种自校准数字加速度传感器，其特征在于：所述微处理器控制模块（3）为C8051F500单片机。
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