多路传感器信号采集与传输系统的设计

崔济麟，张军杰

（煤科集团沈阳研究院有限公司 辽宁 抚顺 113122）

多路传感器信号采集与传输系统的设计

崔济麟，张军杰

（煤科集团沈阳研究院有限公司 辽宁 抚顺 113122）

一般矿用传感器的输出信号多为频率信号、电流信号或者485信号，本文的设计电路主要完成1路频率测量、4路电流采集、2路485信号接收和1路CAN总线的数据传输功能，本设计电路采用LPC1768作为控制的核心，完成了系统的硬件设计和软件设计，具有较高的可靠性和实时性，能够满足系统的设计要求。

电流采集；频率采集；RS485；CAN总线

随着半导体技术和芯片技术的快速发展，MCU的处理速度越来越高，外设更加丰富，具有多路的A/D采集模块，多路串口通信模块，更多的外部中断，多个8位为或者16位的定时器外设，以及CAN总线通信模块等，使得MCU能够独立完成对模拟信号、数字信号的采集和处理，满足矿用传感器产品［1］及总线传输控制系统的设计要求［2-4］。通常，对于微弱的电压信号采集需要将电压信号传入MCU的A/D进行采集，转换成MCU可以处理的数字信号，信号转换器件的性能指标决定了信号转换的质量。将模拟信号转换为数字信号的电路电路应具有以下要求：1）极高的输入阻抗；2）极低的输出阻抗；3）精确和稳定的线性增益；4）极高的共模抑制比（CMRR）。模数转换电路的精度和线性度直接关系到仪表测量的精度和准确度。因此，模数转换器件关系到仪器仪表好坏的关键性因素［5］，本位中将采用ADS1115作为模数转换的关键元器件。

1　设计方案

文中介绍的多路传感器信号采集与传输系统由电源电路、核心控制电路、频率信号测量电路、电流信号测量电路、RS485信号测量电路和CAN总线数据传输电路构成。系统原理框图如图1所示。

2　硬件电路各模块的设计

1）电源模块的设计

图1　系统原理框图

电源模块采用开关型电源芯片LM2596，LM2596具有较宽的输入电压范围，最高输入电压达40 V，具有较高的转换效率和较少的外围电路元件，电路简单，占用较小的电路板空间［6-7］。电源电路如图2所示。

图2　电源原理框图

2）控制核心模块设计

核心模块包括以cortex-M3为内核的LPC1769处理器，以及LPC1769的时钟电路，复位电路和JTAG调试接口电路等构成。LPC1769具有较高的处理速度，最高可达100 MHz，抗干扰能力强，工作稳定，外设丰富，有多达4个串口，2个CAN总线控制器，8路A/D模数转换外设等。控制核心模块电路如图3所示。

3）电流测量模块设计。

图3　控制核心原理图

对电流的采集采用采样电阻的方法将4～20 mA电流转换为电压信号，再通过A/D转换芯片对电压信号进行采集。采样电阻采用150，电压转换的范围为600 mV～3 000 MV。

A/D转换芯片采用 TI的 ADS1115模数转换芯片。ADS1115是16位的模数转换器，具有4路单端模拟信号输入端或者2路差分信号输入端，供电电压为2 V到5.5 V的单电源供电，具有I2C接口，方便MCU对ADS1115的控制和通信。ADS1115采用MSOP-10封装，体积小，极低的功耗，适合便携式设备及直流供电的产品。电流采集模块电路如图4所示。

图4　电流采集原理图

4）频率测量模块设计。

外部传感器输入的频率信号为200～1 000 Hz，频率信号的幅值为24 V。为防止输入频率信号带来的干扰和冲击，采取先对频率信号进行隔离，隔离后再对频率信号进行测量。隔离芯片采用光耦TL521-1，光耦的输入端通过一个限流电阻接入频率信号，光耦的输出端采用3.3 V供电，将隔离后输出的低压频率信号接入MCU，MCU对频率信号进行测量，测量后换算为传感器的检测值。

5）RS485模块的设计

RS485通信模块采用SP3485芯片作为485通信的收发器，SP3485同时兼容3.3 V和5 V供电，较低的功耗，电路接口简单便于应用。SP3485与MCU之间通过ISO74XX进行隔离，以消除SP3485信号对MCU的冲击和干扰。在DP3485的输出端，采用防雷管和瞬态抑制二极管来消除电路电压波动及浪涌带来的影响。A线和B线之间采用一只120欧的匹配电阻用来匹配电路传输线中的阻抗。RS485通信模块电路如图5所示。

图5　RS485通信模块电路

6）CAN总线通信模块的设计

由于LPC1768具有两路CAN总线控制器，所以只需要再增加外围的CAN总线收发器电路即可构成CAN总线的通信电路。

本文中选用的 CAN总线收发器为 PCA82C251，PCA82C251是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，支持最少110个节点，对电磁干扰具有较强的抗干扰能力，在24 V电压对地短路的电路中对电池具有保护作用，具有高达1Mbaud通信速率，总线中的节点掉电时不会影响整个网络的正常通信。PCA82C251的供电电压为4.5～5.5 V，待机电流仅为275 μA，采用SOIC-8封装，适合各种场合的应用需求。

为防止CAN总线传输过程中叠加的干扰，在MCU和PCA82C251之前通过隔离芯片进行信号的隔离，以保证MCU的稳定运行。隔离芯片采用ADUM1201。

在CAN总线的输出端，通过加入一只防雷放电管，可有效减少因雷击带来的损害，同时在CAN总线上对地和两线之间分别接入瞬态抑制二极管，有效抑制来自总线的电源波动和干扰，保证CAN总线系统的稳定运行。在CANH和CANL之间接入一只120欧母的电阻用以匹配传输线路上的阻抗。CAN总线模块的电路如图6所示。

图6　CAN总线模块的电路

3　系统软件的设计

多路传感器信号采集与传输系统的软件设计主要包括系统初始化配置程序、电流信号采集、频率信号采集、RS485信号采集和CAN总线数据传输程序。初始化配置程序由MCU初始化配置程序、ADS1115配置程序，串口配置程序和CAN总线控制器的配置程序等构成。MCU通过串口读取RS485接收到的总线数据、频率信号和I2C总线接收到的电流值，将接收到的数据打包为规定的数据格式，通过CAN控制器发送到CAN总线上。同时MCU接收来自CAN总线的数据读取命令，读取相应的数据并将读取的数据传输至CAN总线［8-9］。软件总体流程图如图7所示。

图7　软件总体流程图

4　结论

通过对大量的测试和实验，多路传感器信号采集与传输系统能够正确的接收CAN总线传输的数据指令，能够正确实时的读取传感器传入的频率信号、电流信号和485信号，无漏读和错读现象，能够实时的返回CAN信号，运行过程中无程序跑飞或死机现象，具有较强的抗干扰能力，达到系统的设计要求。

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Design of signal acquisition and transmission system for multi sensor

CUI Ji-lin，ZHANG Jun-jie
（CCTEG Shenyang Research Institute Co.，LTD Measurement and Control Technology Branch，Fushun 113122，China）

The output of Mine sensor are mostly signal of frequency,Current signal or RS485 signal,This article mainly designe one chanal frequency detect，four Current signal detect，two RS485 signal detect and one CAN bus for data transmission.This designe take LPC1768 as the core control,completed the hardware and the software designe,which has a high Reliability and timeliness to meet the system design requirements.

current collection；frequency acquisition；RS485；CAN bus

TN914.3

A

1674－6236（2016）13-0092-03

2015-07-13稿件编号：201507086

崔济麟（1989—），男，辽宁抚顺人，硕士，助工。研究方向：煤矿安全类仪器仪表的设计与研发。