智能传感器实验指导书.doc

(完整word)智能传感器实验指导书智能传感器实验指导书仇国庆 编写重庆邮电大学自动化学院自动化专业实验中心20064目 录实验一：扩散硅压阻式压力传感器非线性补偿和温度自补偿实验实验二：基于CAN（控制器局域网）总线智能传感器节点设计实验实验一：扩散硅压阻式压力传感器非线性补偿和温度自补偿实验一实验目的1 了解扩散硅压力传感器的工作性能和工作原理。2 掌握扩散硅压力传感器非线性补偿方法；2掌握扩散硅压力传感器温度自补偿方法.二实验内容1扩散硅压力传感器的非线性补偿; 2扩散硅压力传感器的温度自补偿。三基本原理 扩散硅压力传感器压力测量原理如图1所示，压阻式半导体压力传感器用恒流源驱动，其输出信号经放大后进入A/D 变换器，CPU采集A/D 的数字信号，对信号进行数字滤波,然后，经过温度补偿和非线性补偿处理后，显示测量数据.五、实验步骤1、非线性补偿非线性补偿一般是在室温下进行的，并且通常认为温度的变化对压力传感器线性度的影响很小，非线性补偿需要三个步骤：1）非线性的测量为了对压力非线性进行数字补偿首先在0 （零压）到FS0（满压）之间选定有限个压力测试点，供给稳定的压力，采集各个压力下A/D 转换的值,将该值与0到FS0时A/D值所连接而成的端基直线进行比较，如图2A,得到各压力点的误差值， 如图2B. 通常压阻式半导体压力传感器的非线性都呈鼓形,如图2B为上凸形,也有下凹形， 也有少量的S形。图2 测量值与理想值的偏差 图2 非线性误差2）非线性的描述对于测试压力以外的其它各点的非线性误差，常用三种方式推导：（1）折线法,依次用直线连接相邻的点；（2)曲线拟合法,对测试点的数值采用最小二乘法， 用多次曲线拟合;(3)三次样条曲线法，折线法简单易用, 但要求测试压力的点较多, 否则其他点的偏差较大。三次样条曲线法要求测试的精度高,测试压力点选择合理，否则易使曲线的局部产生畸变，带来很大的偏差，实验表明用曲线拟合的方法更能描述其非线性，也更符合传感器的特性,本实验建议用二次曲线对传感器的非线性进行拟合。3）非线性补偿的实现得到各个压力下非线性的描述后可以用CPU 对非线性误差进行补差，由于在智能传感器器中采用的CPU 数学运算能力一般较低，对曲线拟合和样条函数的方法不宜直接用曲线方程解算非线性的误差,否则CPU 的开销过大，可用以下方法计算各点的非线性误差。（1）离散法，将0到FS0压力量程均分若干段假定每一压力段非线性误差为常数把每段的非线性误差补偿值存入智能传感器中,传感器在工作中根据所处的压力段读取不同的补偿值,如图3A，显然分段越细补偿越精确，但存入的参数也越多，由于压阻式半导体传感器的非线性误差普遍较小，这不失为一种很好的补偿方法，但若非线性误差较大且分段较少时，量化误差很明显。图3A 离散法进行非线性误差补差图 3 B 折线逼近法进行非线性误差补差（2）折线逼近法，仍然是将0到FS0压力量程均分为若干段，但每一段的补偿不是采用单一数值,而采用直线方程，如图3B，避免了量化误差，精度较好，但与离散法相比CPU 开销稍大，在相同补偿精度的情况下，存入智能传感器器中的参数比离散法的要少。（3)多次折线逼近法，原理与折线逼近法相近，但计算顺序不同，首先将0到FS0分为两段,用两段直线逼近，如图4A，直线方程分别为Y1 = a X1,Y2 = b * X2，经两段直线补偿后，非线性的误差曲线成为图4B，再将两段直线的中点1/4FSO和3/4FSO作为端点，分别各用另两段直线逼近，以此类推,其逼近直线形成的直线段以及补偿精度与折线法相同，但存入智能传感器器中的参数的个数较少。图4A 第一次折线逼近图 4B 第二次折线逼近本实验建议采用离散法或折线逼近法。2、温度补偿 认为不同压力时温度对传感器的影响都是相同的。将传感器置于温度可调可控的恒温装置中（如恒温水浴锅等）,在传感器的工作温度范围内，在压力一定情况下，测量不同温度时，传感器输出经A/D后的数字值，列出下表。温度 (）11传感器输出0.970根据测量数据，采用最小二乘拟合得到温度补偿曲线.实验二：基于CAN（控制器局域网）总线智能传感器节点设计实验实验目的：1。了解CAN总线的基本知识 2.掌握CAN总线控制器SJ1000的使用方法 3.掌握硬件及软件的设计方法实验要求：将两台实验设备构成的CAN节点连到同一个CAN总线上,总线上的任意节点均可以向其他节点发送报文,当某一点收到另一点的报文后,可将该报文在屏幕上显示。发送报文采用按键启动方式，每按动一次按键，发送一帧报文。实验设备：PC机、TDACC+实验系统两套、i368EX系统板两块.实验原理1。实验原理CAN总线单元中,SJA1000与控制计算机的接口如下图所示.2.实验接线和程序流程图实验接线如图所示，图中画：“0的线需实验者在实验时自行接好。主程序流程图3.实验步骤：(1） 参考流程图编写程序,检查无误后编译、链接、装载程序。（2） 按照实验线路图连线，将单次阶跃单元中的电位器旋至最大，检查无误后,开启设备电源。(3) 分别运行发送报文和接受报文程序,任意节点可随时发送报文，每按动一次按键就启动报文发送，可在另一节点观接收到的报文，检查接收的报文和发送的报文是否一致。思考题：如何将双机通讯改为多机通讯，并增加广播发送功能。附录：CAN总线及其控制器：CAN（Controller Area Network）即控制器局域网属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络.控制器局域网络CAN是由德国Bosch公司的为汽车的监测和控制而设计的，逐步发展到用于其它工业领域的控制。CAN已成为国际标准化组织ISO 11898标准。在CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能。可完成对数据的成帧处理。CAN具有如下特性：(1）通信速率为5Kbps/10km，1Mbps/40m，节点数110个，传输介质为双绞线或光纤等.(2)采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据.（3）可实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可方便地构成多机备份系统。(4）采用非破坏性总线优先级仲裁技术,当两个节点同时向网络发送信号时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。（5)支持三类报文帧:数据帧、远程帧、超载帧.采用短帧结构，每帧有效字节数为8个。这样传输时间短,受干扰的概率低，且具有较好的检错效果。（6）采用循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）及其它检错措施，保证了极低的信息出错率。(7）节点具有自动关闭功能,当节点错误严重时，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线正常工作。（8）CAN单片机：Motorola公司生产带CAN模块的MC68HC05x4，Philips公司生产82C200，Intel公司生产带CAN模块的P8XC592。(9)CAN控制器：Philips公司生产的82C200，Intel公司生产的82527。(10）CAN I/O器件：Philips公司生产的82C150，具有数字和模拟I/O接口。CAN总线报文传送、帧类型和帧格式在CAN网络中，一个发出报文的节点的单元称为该报文的发送器，并且保持该身份直至总线空闲或丢失仲裁.如果一个节点单元不是该报文的发送器，而且总线不为空闲，则该节点单元被称为接收器报文传送由以下4种不同的帧类型表示和控制 数据帧：数据帧将数据从发送器传送到各个接收器； 远程帧：远程帧请求具有相同标识符的数据帧的发送； 出错帧：任何单元检测到总线错误就发出出错帧;超载帧：超载帧用于在先行和后续的数据帧或远程帧之间提供一段附加时延。在CAN2.0B规范中，有两种帧格式，其主要区别在于标识符的长度。具有11位标识符的帧称为标准帧;而具有29位标识符的帧则称为扩展帧。数据帧：数据帧由7个不同的部分组成:帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结束。其结构如图所示。远程帧：远程帧由6个不同的部分组成：帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域和帧结束。其结构如图所示。出错帧:出错帧由两部分组成。第一部分由来自不同的节点的出错标志叠加而成,随后的第二部分是出错界定符。其结构如图所示。超载帧：包括两个域.超载标志和超载界定符。如图所示。CAN总线控制器SJA1000SJ1000独立CAN总线控制器是PHILIPS公司PCA82C200 CAN总线控制器（BasicCAN）的替代产品。与PCA82C200 引脚兼容，电气兼容，原PCA82C200 的工作模式在SJA1000中称为BasicCAN模式。因而最大限度地保证了器件的互换性，而且还增加了一种新的工作模式PeliCAN。SJA1000完全支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。SJA1000特性l SJA1000增加了两种模式： 1.BasicCAN模式：与PCA82C200兼容 2。PeliCAN模式：扩展功能工作模式通过时钟分频寄存器中的CAN模式位来选择.复位默认模式是BasicCAN模式。l PeliCAN模式的扩展功能：接收和发送标准和扩展报文;达64字节的接收FIFO;对于标准和扩展帧都有单/双接收过滤器，接收过滤器包括屏蔽码和接收码寄存器；可读/写访问的错误寄存器;可编程的错误报警限；最近一次错误代码寄存器；对于每一种CAN总线错误都能产生不同的出错中断；仲裁丢失中断，并带有详细丢失仲裁位置信息；允许单次发送，当出错或丢失仲裁时不重发;只听模式（监视CAN总线,无应答,无出错标志）；支持热插拔自身发送报文接收；硬件禁止CLKOUT输出SJA1000内部结构以及引脚如图所示.SJA1000的BasicCAN模式l 地址分配: CAN控制器SJA1000对于CPU而言，是可编程外围芯片。CPU可以像操作扩展RAM一样操作SJA1000片内的寄存器。 SJA1000的地址区域主要由控制段和报文缓冲器段组成,如附表1所示控制段在初始化期间被设置,用于配置通信参数,同时CPU通过这个段来控制CAN总线上的通信。附表1偏移地址名称工作模式复位模式读写读写0控制段控制控制控制控制1（FF）命令（FF）命令2状态状态-3中断-中断4（FF）-接收码接收码5(FF）-接收屏蔽码接收屏蔽码6(FF）总线定时寄存器0总线定时寄存器07（FF）总线定时寄存器1总线定时寄存器18（FF)-输出控制输出控制9测试测试测试测试10发送缓冲器ID(10 3）ID（10 -3）（FF）11ID（2 0) RTR 和数据长度ID(2 - 0) RTR 和数据长度(FF）12字节1字节1(FF)13字节2字节2(FF）14字节3字节3（FF）15字节4字节4（FF)-16字节5字节5（FF)-17字节6字节6(FF）-18字节7字节7（FF）19字节8字节8（FF）-20接收缓冲器ID(10 3）ID(10 3)ID（10 3)ID（10 3)21ID(2 - 0) RTR 和数据长度ID（2 - 0） RTR 和数据长度ID（2 - 0） RTR 和数据长度ID（2 0） RTR 和数据长度22字节1字节1字节1字节123字节2字节2字节2字节224字节3字节3字节3字节325字节4字节4字节4字节426字节5字节5字节5字节527字节6字节6字节6字节628字节7字节7字节7字节729字节8字节8字节8字节830（FF)(FF)-31时钟分频寄存器时钟分频寄存器时钟分频寄存器时钟分频寄存器l 复位值 SJA1000有两种复位方式：硬件复位与软件复位。硬件复位是指在芯片的复位引脚上提供一定宽度低电平,硬件复位需要足够的时间才能使控制寄存器中的复位请求位置1。软件复位是指通过软件设置CR.0为1或由脱离总线引起的复位.SJA1000检测到复位请求位为1后，将中止当前报文的接收/发送而进入复位模式.当复位请求位从1转变到0，SJA1000返回到工作模式.SJA1000在复位模式下各寄存器的状态如下附表2所示：附表2寄存器位符号名称值硬件复位软件设置CR。0或脱离总线引起复位控制CR.7（保留)00CR。6（保留)XXCR。5(保留)11CR。4OIE溢出中断允许XXCR。3EIE出错中断允许XXCR.2TIE发送中断允许XXCR.1RIE接收中断允许XXCR。0RR复位请求11命令CMR.7(保留)CMR。6（保留)CMR.5-（保留）CMR。4GTS睡眠CMR.3CDO清除数据溢出CMR.2RRB释放接收缓冲器CMR.1AT中止发送CMR.0TR发送请求状态SR。7BS总线状态0(在线）XSR.6ES出错状态0（无错)XSR。5TS发送状态0（空闲）0（空闲）SR。4RS接收状态0（空闲）0(空闲）SR。3TCS发送完成状态1(完成)XSR。2TBS发送缓冲器状态1(释放）1(释放)SR。1DOS数据溢出状态00SR.0RBS接收缓冲器状态0（空)0(空）中断IR。7-（保留）11IR.6(保留）11IR。5-(保留)11IR.4WUI唤醒中断00IR。3DOI数据溢出中断00IR.2EI出错中断0XIR.1TI发送中断00IR.0RI接收中断00接收码AC。7-0AC接收码XX接收屏蔽码AM。70AM接收屏蔽码XX总线定时寄存器0BTR0。7SJW.1同步跳转宽度1XXBTR0.6SJW。0同步跳转宽度0XXBTR0.5BRP.5比特率预引比例因子5XXBTR0。4BRP.4比特率预引比例因子4XXBTR0.3BRP。3比特率预引比例因子3XXBTR0。2BRP。2比特率预引比例因子2XXBTR0。1BRP.1比特率预引比例因子1XXBTR0.0BRP.0比特率预引比例因子0XX 接上表寄存器位符号名称值硬件复位软件设置CR.0或脱离总线引起复位总线定时寄存器1BTR1.7SAM采样XXBTR1。6TSEG2。2时间段2.2XXBTR1.5TSEG2。1时间段2.1XXBTR1.4TSEG2.0时间段2。0XXBTR1.3TSEG1。3时间段1。3XXBTR1.2TSEG1。2时间段1.2XXBTR1。1TSEG1。1时间段1.1XXBTR1。0TSEG1。0时间段1。0XX输出控制OC。7OCTP1输出控制晶体管P1OC。6OCTN1输出控制晶体管N1OC。5OCPOL1输出控制极性1OC.4OCTP0输出控制晶体管P0OC.3OCTN0输出控制晶体管N0OC。2OCPOL0输出控制极性0OC。1OCMODE1输出控制模式1OC.0OCMODE0输出控制模式0发送缓冲器-TXB发送换冲器XX接收缓冲器RXB接收缓冲器XX时钟分频器CDR时钟分频寄存器00H(Intel）05H（Motorola）XSJA1000的PeliCAN模式SJA1000的PeliCAN模式的地址列表CAN控制器SJA1000的内部寄存器对于CPU而言,表现为片上内存映射的外设寄存器，共128字节。从偏移地址32起的所有内部RAM（80字节)被直接映射到CPU接口。在工作和复位模式下，SJA1000具有不同的内部地址定义。因此必须予以区分。如附表3所示 附表3偏移地址工作模式复位模式读写读写0模式模式模式模式1（00H)命令(00H）命令2状态-状态3中断中断4中断允许中断允许中断允许中断允许5保留（00H)保留(00H)-6总线定时0-总线定时0总线定时07总线定时1总线定时1总线定时18输出控制输出控制输出控制9检测检测检测检测10保留(00H）保留（00H）11仲裁丢失捕捉仲裁丢失捕捉-12错误代码捕捉错误代码捕捉13错误报警限错误报警限错误报警限14RX错误计数器-RX错误计数器RX错误计数器15TX错误计数器-TX错误计数器TX错误计数器16RX帧信息TX帧信息接收码0SFFEFFSFFEFF17RX标识符1RX标识符1TX标识符1TX标识符1接收码118RX标识符2RX标识符2TX标识符2TX标识符2接收码219RX数据1RX标识符3TX数据1TX标识符3接收码320RX数据2RX标识符4TX数据2TX标识符4接收屏蔽码021RX数据3RX数据1TX数据3TX数据1接收屏蔽码122RX数据4RX数据2TX数据4TX数据2接收屏蔽码223RX数据5RX数据3TX数据5TX数据3接收屏蔽码324RX数据6RX数据4TX数据6TX数据4保留（00H）-25RX数据7RX数据5TX数据7TX数据5保留(00H）-26RX数据8RX数据6TX数据8TX数据6保留（00H)27FIFO RAMRX数据7TX数据7保留(00H)-28FIFO RAMRX数据8TX数据8保留(00H)-29RX报文计数器-RX报文计数器30RX缓冲器起始地址-RX缓冲器起始地址RX缓冲器起始地址31时钟分频器时钟分频器时钟分频器时钟分频器32内部RAM地址0（FIFO）-内部RAM地址0内部RAM地址033内部RAM地址1（FIFO）内部RAM地址1内部RAM地址195内部RAM地址63（FIFO)-内部RAM地址63内部RAM地址6396内部RAM地址64(TX缓冲器）-内部RAM地址64内部RAM地址64108内部RAM地址76(TX缓冲器)-内部RAM地址76内部RAM地址76109内部RAM地址77(未使用）内部RAM地址77内部RAM地址77110内部RAM地址78(未使用)内部RAM地址78内部RAM地址78111内部RAM地址79(未使用)-内部RAM地址79内部RAM地址79112（00H）(00H）（00H)127（00H）-(00H)（00H)l 复位值SJA1000检测到复位模式位被置1后，将中止当前发送/接收报文而进入复位模式.当复位模式位从1转变到0时，SJA1000回到模式寄存器所定义的工作模式。附表4为SJA1000在复位模式下各寄存器的状态。 附表4寄存器位符号名称值硬件复位软件设置CR。0或脱离总线引起复位模式MOD。7-5(保留）0(保留）0(保留)MOD.4SM睡眠0(唤醒）0(唤醒）MOD。3AFM接收过滤器0（2个）XMOD。2STM自检测模式0(正常）XMOD。1LOM只听模式0(正常）XMOD。0RM复位模式1(置位)1（置位）命令CMR。75(保留)0(保留）0(保留）CMR.4SRR自接收请求00CMR。3CDO清除数据溢出00CMR.2RRB释放接收缓冲器00CMR.1AT中止发送00CMR。0TR发送请求00状态SR。7BS总线状态0(在线）XSR。6ES出错状态0(无错)XSR。5TS发送状态1（等待空闲)1（等待空闲)SR.4RS接收状态1（等待空闲）1（等待空闲)SR.3TCS发送完成状态1(完成)XSR。2TBS发送缓冲器状态1（释放)1（释放）SR。1DOS数据溢出状态00SR.0RBS接收缓冲器状态0(空）0（空）中断IR。7BEI总线错误中断00IR.6ALI仲裁丢失中断00IR。5EPI错误消极中断00IR.4WUI唤醒中断00IR。3DOI数据溢出中断00IR.2EI出错中断0XIR.1TI发送中断00IR。0RI接收中断00接收码AC.70AC接收码XX接收屏蔽码AM.70AM接收屏蔽码XX 续上表寄存器位符号名称值硬件复位软件设置CR。0或脱离总线引起复位IER。7BEIEIER.6ALIEIER。5EPIIER.4WUIIER.3DOIIER。2EIIER。1TIIER。0RI总线定时寄存器0BTR0.7SJW.1同步跳转宽度1XXBTR0。6SJW。0同步跳转宽度0XXBTR0.5BRP。5比特率预引比例因子5XXBTR0.4BRP.4比特率预引比例因子4XXBTR0.3BRP。3比特率预引比例因子3XXBTR0。2BRP.2比特率预引比例因子2XXBTR0.1BRP.1比特率预引比例因子1XXBTR0.0BRP.0比特率预引比例因子0XX总线定时寄存器1BTR1。7SAM采样XXBTR1。6TSEG2.2时间段2。2XXBTR1.5TSEG2.1时间段2。1XXBTR1。4TSEG2。0时间段2。0XXBTR1。3TSEG1.3时间段1.3XXBTR1.2TSEG1.2时间段1。2XXBTR1.1TSEG1.1时间段1.1XXBTR1.0TSEG1.0时间段1。0XX输出控制OCR.7OCTP1输出控制晶体管P1XXOCR。6OCTN1输出控制晶体管N1XXOCR。5OCPOL1输出控制极性1XXOCR。4OCTP0输出控制晶体管P0XXOCR。3OCTN0输出控制晶体管N0XXOCR.2OCPOL0输出控制极性0XXOCR。1OCMODE1输出控制模式1XXOCR。0OCMODE0输出控制模式0XX仲裁丢失捕捉ALC仲裁丢失捕捉0X错误代码捕捉ECC错误代码捕捉0X错误报警限EWLR错误报警限寄存器96XRX错误计数器-RXERR接收错误计数器0XTX错误计数器TXERR发送错误计数器0X 续上表 寄存器位符号名称值硬件复位软件设置CR.0或脱离总线引起复位TX缓冲器TXB发送缓冲器XXRX缓冲器-RXB接收缓冲器XXACR03ACR03接收码寄存器XXAMR03-AMR0-3接收屏蔽码寄存器XXRX报文计数器RMCRX报文计数器00RX缓冲器起始地址-RBSARX缓冲器起始地址0X时钟分频器-CDR时钟分频寄存器00H(Intel)05H（Motorola)X