符合CAN總線規(guī)范的熱敏電阻傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

遼寧建筑職業(yè)學(xué)院 自動(dòng)控制系，遼寧遼陽 111000

一、引言

熱敏電阻器（Thermally Sensitive Resistor， 簡 稱Thermistor）是一類常見的敏感元件，其典型特點(diǎn)是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。熱敏電阻具有外形小、加工優(yōu)秀、阻抗值大、阻抗溫度系數(shù)大、相對于1℃的溫度變化阻抗變化量大、信號層次高、電路簡單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)。在所有溫敏元件中，熱敏電阻占有極為重要的位置，占整個(gè)溫敏元件總量的幾乎40%。[1]

按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。通常所說的熱敏電阻指的是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器。NTC熱敏電阻是一種以過渡金屬氧化物為主要原材料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的半導(dǎo)體陶瓷元件，它具有非常大的負(fù)溫度系數(shù)，電阻隨環(huán)節(jié)溫度變化，即在一定的測量功率下，電阻值隨溫度上升而迅速下降。利用這一特性，可通過測量NTC熱敏電阻的阻值來確定相應(yīng)的溫度，從而達(dá)到檢測和控制溫度的目的。

控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）是一種串行通信協(xié)議，其傳輸速率可達(dá)1Mbps，能夠有效支持具有高安全等級的分布式實(shí)時(shí)控制。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)由德國BOSCH公司開發(fā)，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），其應(yīng)用范圍非常廣泛，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路配線都可以使用CAN。CAN總線技術(shù)規(guī)范的目的是為了在任何兩個(gè)CAN器件之間建立電氣特性和數(shù)據(jù)解釋的層面的兼容性，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的透明度和實(shí)施的靈活性。

本文所討論的傳感節(jié)點(diǎn)可以直接掛接在CAN總線框架下，與其他CAN總線器件進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間互換性和互操作性。

二、熱敏電阻特性

熱敏電阻器是一種電阻值變化型的溫度傳感器，它的線性度不及鉑電阻，但是靈敏度非常高。其中AT系列非絕緣引線型NTC熱敏電阻的可靠工作溫度為-50℃～+125℃，精度可高達(dá)±0.1℃，并具有良好的耐熱循環(huán)能力和穩(wěn)定性。熱敏電阻器的阻值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系為：

式中，RT—熱敏電阻的電阻值，單位：Ω；

T—絕對溫度；

T0—基準(zhǔn)溫度，通常把基準(zhǔn)溫度定位0℃或者室溫；

R0—T0時(shí)對應(yīng)的電阻值；

B—表示在T和T0之間電阻值變化相關(guān)的常數(shù)項(xiàng)。該值越大，相當(dāng)于每變化1℃所引起的電阻值變化就越大。[3]

熱敏電阻的溫度-阻值特性曲線如圖1所示。

B值是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù)，它被定義為兩個(gè)溫度下零功率電阻值的自然對數(shù)之差與兩個(gè)溫度倒數(shù)之差的比值：

其中，RT1—表示溫度為T1時(shí)的零功率電阻；

RT2—表示溫度為T2時(shí)的零功率電阻。零功率電阻指25℃時(shí)測得的功率電阻值，它是熱敏電阻的設(shè)計(jì)電阻值，也是標(biāo)稱電阻值。

B的值由25℃時(shí)的零功率電阻值計(jì)算得到，其在工作溫度范圍內(nèi)并不一定是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù)。

三、熱敏電阻線性化電路

從圖1的熱敏電阻溫度-電阻特性曲線可以看出，熱敏電阻阻值對溫度變化的響應(yīng)是非線性的，工程應(yīng)用中需要對它進(jìn)行線性化處理。具體操作方法是首先給Rt串聯(lián)一只合適的外部電阻Rex，則問題歸結(jié)為對輔助電阻Rex的計(jì)算，電路如圖2所示。

假設(shè)電路的輸入電壓是Vref，那么輸出電壓Vout則為：

計(jì)算Rex可遵循如下方法[3]：首先確定所有測量的溫度范圍（例如0℃～ +100℃）；在該溫度范圍內(nèi)確定熱敏電阻在使用溫度下限的電阻值Rmin（對應(yīng)于最低溫度，例如+100℃）和上限值Rmax（對應(yīng)于最高溫度，例如0℃），并確定中間值Rmid（對應(yīng)于中間溫度，這里為+50℃）；計(jì)算Rex可遵循下列計(jì)算公式[4]：

以103AT型NTC為例，在100℃時(shí)Rmin= 0.935kΩ，0℃時(shí)Rmax=27.28kΩ，中間值50℃時(shí)Rmid=4.160kΩ，帶入公式（4）計(jì)算可得：

串聯(lián)合適的Rex可改善NTC熱敏電阻的非線性，但當(dāng)溫度范圍改變時(shí)，應(yīng)重新計(jì)算Rex的值。

四、節(jié)點(diǎn)CAN總線設(shè)計(jì)

CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運(yùn)行，也可以使用光纜連接，在數(shù)據(jù)通信方面具有可靠、實(shí)時(shí)和靈活的優(yōu)點(diǎn)。CAN總線遵循 ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)模型，總線結(jié)構(gòu)劃分為兩層: 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 (包括邏輯鏈路控制子層 LLC和媒體訪問控制子層MAC)。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制 (Logical Link control，LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制 (Medium Access control，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包 /解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯(cuò)誤檢測、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。

由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力， 支持差分收發(fā)， 因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。因此，CAN協(xié)議對于許多領(lǐng)域的分布式測控很有吸引力。[5]CAN在物理結(jié)構(gòu)上屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的組成如圖3所示。

系統(tǒng)由上位監(jiān)控機(jī)、傳感節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場設(shè)備三部分組成。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接受與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元?jiǎng)討B(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；傳感節(jié)點(diǎn)可以使現(xiàn)場設(shè)備方便地連接到CAN總線上，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并將處理古的數(shù)字信號通過CAN通信控制器如SJA1000發(fā)送到CAN總線。智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和選擇，對通信信號的傳輸發(fā)送有很的影響，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送和接收，都是通過CAN總線接口實(shí)現(xiàn)。所以CAN總線接口電路的設(shè)計(jì)對CAN總線應(yīng)用至關(guān)重要。

目前，一些知名半導(dǎo)體公司都生產(chǎn)CAN控制器芯片。其類型一種是獨(dú)立的CAN控制器，如82C200、SJA1000等；另一種是微處理器片內(nèi)集成CAN控制器，如P8XC582。通常前者比較靈活、功能更強(qiáng)大；或者使電路設(shè)計(jì)簡化緊湊、效率提高?？紤]到SJA1000支持CAN2.0A/B規(guī)范，本文所討論的傳感器節(jié)點(diǎn)采用Philips半導(dǎo)體公司的SJA1000獨(dú)立CAN總線控制器。SJA1000模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。

其中，接口管理邏輯（IML）用于解析主控制器的控制指令，控制CAN寄存器的尋址，向主控制器發(fā)送中斷信息和狀態(tài)信息；CAN核心模塊用來協(xié)調(diào)與總線收發(fā)器的同步并接收、發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文；過濾器用于比較數(shù)據(jù)內(nèi)容和接收到的標(biāo)志碼，以決定是否接收該條報(bào)文；接收緩沖器用來存儲從CAN總線上接收并確認(rèn)信息；發(fā)送緩沖器用來暫存數(shù)據(jù)報(bào)文并以隊(duì)列形式通過CAN核心模塊發(fā)送給總線收發(fā)器。

圖5中的PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，該器件對總線提供差動(dòng)發(fā)送能力并對CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。這是全世界使用最廣泛的CAN收發(fā)器。PCA82C250是CAN控制器與物理總線間的接口，與IS011898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，可以對總線提供符合CAN電氣協(xié)議的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，另外它具有電流限制功能可對總線的進(jìn)一步的保護(hù)功能。圖5給出PCA82C250的功能方框圖。

五、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

SJA1000可以與多種類型單片機(jī)接口，再加上收發(fā)器就可以組成一個(gè)CAN應(yīng)用系統(tǒng)核心。SJA1000 在電路中是一個(gè)總線接口芯片，通過它實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。該電路的主要功能是通過CAN總線收發(fā)器PCA82C250接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài)然后下傳給下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能，當(dāng)CAN總線接口接收到下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)，SJA1000就產(chǎn)生一個(gè)中斷，引發(fā)微處理器產(chǎn)生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機(jī)進(jìn)行分析。STC12C5A60S2是增強(qiáng)型的51內(nèi)核單片機(jī)，承擔(dān)CAN控制器的初始化、CAN的收發(fā)控制等任務(wù)，是CAN總線接口電路的控制核心。

圖6中的 X5045中的看門狗對系統(tǒng)提供了保護(hù)功能。X5045是在單片機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種看門狗芯片，它把上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM四種常用功能組合在單個(gè)芯片里。[7]當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時(shí)間時(shí)，電路中的看門狗將通過RESET信號向CPU 作出反應(yīng)。向X5045加電時(shí)會(huì)激活其內(nèi)部的上電復(fù)位電路，從而使RESET 引腳有效。

六、系統(tǒng)測試

溫度變化引起的輸出電壓變化量為：

式中，V(Tk) —Tk溫度時(shí)的輸出電壓；

V(Tk+1) —Tk+1溫度時(shí)的輸出電壓。

表1 列出了103AT型NTC線性化前后對照表。根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)繪出的電阻值-溫度特性曲線如圖7(a)所示，從圖中可見單純使用NTC電阻具有明顯的非線性。線性化后的輸出電壓-溫度特性曲線如圖7(b)所示，從圖中可見其線性度有了明顯的改善。

七、結(jié)束語

本文討論了采用熱敏電阻作為感溫元件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種符合CAN總線規(guī)范的熱敏電阻傳感節(jié)點(diǎn)。熱敏電阻的靈敏度高，但是其固有的非線性特性不利于工程處理，需要進(jìn)行線性化。用一只固定電阻巧妙的實(shí)現(xiàn)了對NTC熱敏電阻的線性化，但是這種線性化是以犧牲靈敏度為代價(jià)的。為了減小線性化誤差，應(yīng)盡量減小溫度量程范圍。測量電路集成CAN總線規(guī)范，傳感節(jié)點(diǎn)可直接掛接在CAN總線系統(tǒng)上，與其他CAN總線器件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而可使傳感節(jié)點(diǎn)成為分布式控制系統(tǒng)的一部分。

表1 103AT型NTC線性化前后對照表