基于CAN总线物体倾角系统的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.4MB 75 页 15积分
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I
摘 要
物体倾角测量在工业控制、动力机械、航空航天等领域有着重要的应用。利
用MEMS 加速度传感器技术和 MCU 技术结合研制出来的倾角传感器更是被广泛
的应用于以上所述领域。CAN 总线作为被广泛应用的现场总线之一，具有实时性、
高可靠性、高性能等特点。本论文针对动力机械倾角测量问题，对角度测量方法
进行了研究，设计了基于 CAN 总线的倾角测量系统。该测量系统具有较高的分辨
率，测量角度范围是±15°，俯仰角精度±0.14°，滚转角精度±0.40°。本系统可以实
现两个 CAN 节点或者多个 CAN 节点进行通信，功能易扩展。
论文利用 MEMS 加速度传感器 ADXL202E 拾取物体倾角信号，利用微控制器
STC89C52RC 对信号进行处理。采用独立控制器局域网络（CAN）控制器 SJA1000
和发送器 TJA1050T 实现了倾角信号的 CAN 总线传输，使该倾角信号显示在 PC
机上。论文的主要研究内容包括：
1. 分析了 CAN 总线国内外发展现状及趋势，并阐述了 MEMS 加速度传感器技术。
2. 分析了 MEMS 加速度传感器 ADXL202E 的基本原理和其作为角度敏感测量元
件的优缺点，对它的各项技术参数进行了分析和选择。并确定该倾角测量系统
的测量精度。
3. 设计了角度信号采集、处理、传输等硬件电路。包括加速度信号采集模块，
MCU 对信号处理模块，CAN 控制器与收发器外围电路模块。并利用 Altium
Designer 设计了 PCB。
4. 设计了角度信号采集与处理软件。包括 CAN/RS-232 转换模块和终端节点的通
信程序、各个功能子程序、串口通信程序以及 CAN 通信协议，并利用 VC 设
计了界面程序
5. 最后，对角度测量系统进行了标定和测量精度分析实验。实验结果表明，该角
度测量系统达到了设计要求。
关键词：倾角测量 ADXL202E MCU CAN 总线
II
Abstract
The inclination of the object has an improtant significance in industrial control,
power machinery, medical equipment, aerospace and other fields. Tilt sensor which is
based on the MEMS accelerometer technology and MCU technology is widely used in
the above areas. As one of the most widely used and the most promising filed bus, CAN
bus has real-time、high reliability and high-performance features.This topic specializes
in the dymanic machine’s angle measurement. In this topic, the angle measurement
method has been reasearched deeply. Experimental results show that this system has
high resolution ratio, the accuracy of pitch angle is tested within plus or minus 0.14º,
and the accuracy of roll angle within plus or minus 0.40 º when it is not greater than 15º.
This system can realize more CAN nodes to communication.
The dynamic machine’s angle is measured by MEMS accelerometer ADXL202E.
The angle signal is transmitted by independent CAN controller SJA1000 and CAN
driver TJA1050T. The main jobs includes:
1. Analyse the status and development tendency of the CAN bus at home and
abroad, and expound MEMS accelerometer sensor technology.
2. Analyse the basic principle and the advantages and disadvantages of MEMS
accelerometer sensor ADXL202E, analyse ADXL202E’s technical parameters
and determine the measurement accuracy of the dip system.
3. Design hardware circuit including acceleration signal acquisition module、the
AD conversion module、MCU-signal processing module、CAN controller and
transceiver peripheralcircuit module. And take advantage of Altium Designer to
Design PCB.
4. Design the overall design idea of software part. It includes CAN/RS-232
conversion module 、terminal node and each fuction subroutine 、CAN
communication protocol. And use the VC design interface program.
5. Debug and analysis the angle measurement system. The angle measurement
system meets the design requirments.
Keywords:Angle Measurement，MEMS accelerometer sensor，MCU，
CAN bus
III
目 录
摘 要 ....................................................................................................................... I
Abstract .................................................................................................................... II
目 录 .....................................................................................................................III
第一章 绪 论 ...........................................................................................................1
1.1 课题背景、目的及意义 ............................................................................1
1.2 CAN 总线发展现状及其趋势 ................................................................... 1
1.3 MEMS 加速度传感器发展现状及其趋势 ................................................2
1.4 本文的主要工作 ........................................................................................3
第二章 倾角测量系统的总体设计 .........................................................................5
2.1 倾角测量系统总体设计方案 ....................................................................5
2.2 目标芯片的选择 ........................................................................................7
2.2.1 ADXL202E 加速度传感器的选择 ................................................. 7
2.2.2 微控制器处理器的选择 .................................................................9
2.2.3 独立 CAN 控制器和收发器的选择 ............................................ 11
2.4 系统设计中的关键技术问题 ..........................................................15
2.5 本章小结 ..........................................................................................15
第三章 倾角测量系统的硬件设计 .......................................................................17
3.1 倾角测量系统总体框图 ..........................................................................17
3.2 终端节点硬件电路设计 ..........................................................................18
3.2.1 加速度传感器信号采集处理模块 ...............................................18
3.2.2 STC89C52RC 单片机最小系统设计 ........................................... 24
3.2.3 总线通信系统硬件构成 ...............................................................26
3.3 CAN/RS-232 转换模块硬件电路设计 ....................................................28
3.3.1 CAN/RS-232 转换模块硬件接口电路 .........................................28
3.3.2 串口通信电路模块设计 ................................................................29
3.3.3 电源部分电路设计 .......................................................................30
3.5 PCB 设计要点 .......................................................................................... 31
3.5.1 PCB 设计的一些注意事项 ........................................................... 31
3.5.2 本系统的 PCB 布线图 ................................................................. 32
3.6 本章小结 ..................................................................................................32
IV
第四章 倾角测量系统的软件设计 .......................................................................33
4.1 系统主程序设计 ......................................................................................33
4.1.1 CAN/RS-232 转换模块主程序设计 .............................................33
4.1.2 终端节点主程序设计 ...................................................................34
4.2 各功能子程序设计 ..................................................................................35
4.2.1 加速度数据采集程序设计 ...........................................................35
4.2.2 角度信号计算程序 .......................................................................36
4.2.3 CAN 通信程序设计 ...................................................................... 37
4.3.4 PC 机与 CAN/RS-232 转换模块的串口通信设计 ...................... 44
4.4 本章小结 ..................................................................................................47
第五章 倾角测量系统的调试 ...............................................................................48
5.1 ADXL202E 标定 ................................................................................... 49
5.2 系统实验及分析 ......................................................................................50
5.4 本章小结 ..................................................................................................51
第六章 总结与展望 ...............................................................................................52
6.1 总结 ..........................................................................................................52
6.2 展望 ..........................................................................................................52
附 录 .....................................................................................................................54
参考文献 .................................................................................................................70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .....................................72
致谢 ...........................................................................................................................1
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
1.1 课题背景、目的及意义
本课题所研究的目的主要是针对动力机械角度测量问题，设计出一种高精度、
小型化、模块化的倾角测量系统。由于嵌入式电脑、网络通讯、微处理器、自动
控制等先进技术的日渐广泛应用，动力机械控制系统的性能和集成度已经有了很
大的提高。特别是 CAN 总线广泛应用为动力机械产品更新换代和工作效率提升提
供了非常好技术平台。
随着传感器技术和通信技术的发展，各种类型的通信模块与传感器的集成已
成为各种测量技术的发展趋势，因角度测量在交通运输、地址勘探、工程建筑等
行业的广泛使用，基于通信技术与角度测量技术的多种倾角仪器也不断地向数字
化、智能化、小型化、模块化、标准化方向发展。本课题所探索研制的倾角测量
系统就是 CAN 总线通信技术和 MEMS 加速度传感器技术二者相互结合的产物。
本课题研究的意义在于下述几点：第一，选用 ADI 公司的三轴加速度传感器
ADXL202E 作为拾取角度信号的器件。该传感器价格低廉，现价段发展成熟，对
其特性进行研究，可以按照设计人所需要的特性进行有效改进，这样可以大大的
降低该倾角测量系统研究成本，具有较大的现实意义和应用前景；第二，利用目
前国际上应用最广泛最有前途的现场总线 CAN 总线作为该倾角测量系统的传输协
议。CAN 总线最显著的特点就是实时性强、可靠性高、多主总线通信。将 CAN
总线与倾角传感器结合起来，可以实现对角度信号的实时显示与处理，同时有多
个传感器、CAN 控制器与发送器所形成的节点可以不分主从，相互通信，从而形
成网络化的智能角度测量网络，这在实际工程中具有很大的显示意义；第三，倾
角测量已经被广泛的应用于工业控制、交通运输、航空航天、医疗器械等领域，
随着科技的发展，智能化网络化的倾角测量仪器将会越来越受青睐。本课题主要
研究传感器技术和 CAN 总线技术相结合，这二种技术相结合所研制出的角度测量
系统是当前角度测量技术的发展趋势，具有广阔的应用前景。
1.2 CAN 总线发展现状及其趋势
CAN（Controller Area Network）是一种多主方式的串行通信总线，具有实时
基于 CAN 总线的物体倾角测量系统研究
2
性强的特点，是博世公司早期专门为汽车控制和监测而设计的。经过几十年的发
展，其应用早已不再局限于汽车领域，在建筑、环境和交通等领域都能见其身影。
在现场总线技术中，CAN 是唯一具有国际通用标准的总线。从 1991 年博世
CAN 规范[1]（2.0 版）被提交为国际标准到今天，经过多次修改，CAN 规范正在
标准化的过程中。总结来说，目前 CAN 规范有 2.0A 和2.0B 两种版本，根据报文
格式的不同，前者提供 11 位地址，后者提供 29 位地址。
近几年来，CAN 发展可以表现在两个方面。一方面，控制器芯片的类型越来
越丰富，不少厂家生产的微控制器引脚上都设置了 CANH 和CANL 端口；另一方
面，CAN 高层协议的制定与推广受到越来越多的关注，其中这些规范的代表是
CANopen 和DeviceNet。与此同时，由于基于事件触发的 CAN 原理在控制过程中
存在负面影响，人们又提出了基于时间触发的 CAN（TTCAN）概念和原理，并制
定了相关的规范，过后芯片生产商推出了支持 TTCAN 的CAN 控制器。TTCAN
支持我们熟知的 CAN 协议，增强了 CAN 的生命力[2]。
1.3 MEMS 加速度传感器发展现状及其趋势
近年来，作为现代信息技术三大技术之一的传感器技术发展迅速，逐渐向微
型化、多功能化和智能化发展。加速度传感器作为传感器的一个重要类别，也有
自己不同的发展历程，详细内容如下：
传感器技术[3]一个重要的里程碑式的发展是 20 世纪 60 年代出现的硅传感器技
术。在当时，最具代表性的就是硅压阻式传感器技术、P-N 结温度传感器技术和基
于霍尔效应的传感器技术。这一发展为传感器技术带来了巨大的促进和推动。硅
传感器很好的结合了硅材料优良的机械性能和电学性能，其制造工艺与微电子集
成制造工艺相容，使得传感器技术开始向微型化和智能化方向发展；与此同时，
硅传感器还具有功耗低、质量小、响应快、便于批量生产和性能价格比高等优点，
有利于进一步提高其稳定性、可靠性和测量精度。
以硅微传感器为主的微机械传感器近二十年来发展非常快，引起了许多专家
的高度关注，涌现了一批新的微机械传感技术[4]。除了上述三种经典的硅微传感器
以外，近年来又形成了硅电容式传感器技术和硅谐振式传感器技术等。它们不仅
具有一般硅传感器的优点，还具有一些上述早期传感器不具有的优点。下面是对
这几种传感器的简单介绍。
压阻式加速度传感器通过压敏电阻阻值变化来实现加速度的测量,其具有结
构、制作工艺和检测电路都相对简单的特点。随着技术的不断提高和新材料的引
第一章 绪论
3
用,压阻式加速度传感器的性能提升很快。2009 年, R.Amarasinghe 等人[5]制作了
一个超小型 MEMS/ NEMS 三轴压阻式加速度传感器,其由纳米级压阻传感元件
和读出电路构成。该加速度计制作在 n型SOI 晶圆上,采用 EB 光刻和离子注入
工艺制作纳米级压电阻,并用 DRIE 工艺精细制作梁和振动质量块。该加速度计可
在480 H z 的频率带宽下测量正负 20g 的加速度, x , y 和z轴的平均测量精度为
0.416, 0.412 和0.482 mV/ V/ g, 具有高性能、低功耗、抗振动和耐冲击的特性。
电容式加速度计[6]利用惯性质量块在加速度作用下引起悬臂梁变形,通过检
测其电容的变化就可获得加速度的大小。2010 年, Kistler North America 公司采用
硅MEMS 可变电容传感元件制作了 8315A 系列高灵敏度、低噪声的电容式 MEMS
单轴加速度计。其中 8315A2D0 型加速度计的灵敏度达 4000 mV/g,工作温度- 55～
125℃,工作电压 6～50V,可测量沿主轴方向的加速度和低频振动,具有良好的热稳
定性和可靠性[7]。电容式 MEMS 加速度传感器因灵敏度高、噪声低及漂移小等优
势在汽车和工业领域中应用广泛。
压电式 MEMS 加速度计运用采用压电效应,运动时内置的质量块会产生压力,
使支撑的刚体发生应变,最终把加速度转变成电信号输出。它具有尺寸小、重量轻
和结构较简单的优点。此外,谐振式加速度计易于实现高精度测量,也成为微传感器
的一个重要发展方向。它利用振梁的力频特性,通过检测谐振频率变化获得输入加
速度的大小。Draper 实验室在谐振式加速度计技术上处于世界领先地位,主要应用
于对稳定性要求较高的领域。其开发的加速度计零偏稳定性为 5μg, 品质因数 Q的
典型值大于 1×10[8]。
MEMS 加速度传感器[7]除了向高精度、高灵敏度和高集成度方向发展,在低功
耗和小尺寸方面也表现出了巨大优势。超低功耗的代表产品为 2009 年模拟器件公
司推出的三轴、数字加速度计 ADXL346,采用 1.7～2.75V 单电源供电,100Hz 下供
电电流为 140 μA, 10 Hz 下为 30μA, 待机模式下为 0.2μA[9]。R.Amarasinghe[5]等人
制作的 MEMS/NEMS 压阻式加速计是超小尺寸的代表,尺寸为
700μm×700μm×550μm,完全能满足生物医药和其他小型化应用对空间和重量的要
求。
1.4 本文的主要工作
本课题的目的即是针对动力机械角度测量的问题，设计出一种分辨率高、传
输速度快、小型化、低功耗的倾角测量系统。该倾角测量系统具有较高的分辨率，
测量角度范围是±15°，在该范围内俯仰角精度在±0.14°之内，滚转角精度在±0.40°
基于 CAN 总线的物体倾角测量系统研究
4
之内。本系统利用 ADXL202E 拾取物体倾角信号，该传感器输出数字信号，可以
直接传输到单片机 STC89C52RC 中进行进一步信号处理，再利用独立控制器局域
网络控制器 SJA1000 和发送器 TJA1050 实现了倾角信号的 CAN 总线传输，使该
角度信号实时地显示到界面控制系统 PC 机上。所做工作具体内容如下：
（1）确定倾角测量系统设计方案
针对该倾角测量系统所要应用的范围，对系统中所用到的芯片进行选择，再
结合所选择的芯片 ADXL202E、STC89C52RC、CAN 控制器 SJA1000 和收发
器TJA1050 的特点，确定该倾角测量系统总体设计方案。同时，还对系统设
计过程中关键技术问题进行了阐述。
（2）硬件部分设计。
对系统中的各个模块进行硬件电路的设计，包括加速度传感器信号采集处理
模块的硬件设计、加速度传感器与单片机外围电路的设计、总线通信系统模
块的硬件设计、串口通信模块和供电电源模块的硬件设计。
（3）软件部分设计
在软件设计部分，先对本系统中所要用到的通信协议进行了介绍。其次设计
了终端节点和 CAN/RS-232 转换模块的主程序。最后对系统各功能模块所用
到的程序进行了设计，该部分包括加速度数据采集程序设计、角度信号计算
程序、PC 机与收发节点的串口通信程序设计、PC 机界面程序设计。
（4）系统调试
调试部分包括两个部分：ADXL202E 的标定和倾角测量系统实验数据测量和
数据分析
摘要：

I摘要物体倾角测量在工业控制、动力机械、航空航天等领域有着重要的应用。利用MEMS加速度传感器技术和MCU技术结合研制出来的倾角传感器更是被广泛的应用于以上所述领域。CAN总线作为被广泛应用的现场总线之一，具有实时性、高可靠性、高性能等特点。本论文针对动力机械倾角测量问题，对角度测量方法进行了研究，设计了基于CAN总线的倾角测量系统。该测量系统具有较高的分辨率，测量角度范围是±15°，俯仰角精度±0.14°，滚转角精度±0.40°。本系统可以实现两个CAN节点或者多个CAN节点进行通信，功能易扩展。论文利用MEMS加速度传感器ADXL202E拾取物体倾角信号，利用微控制器STC89C52RC对...

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