一种用于NOx传感器的CAN总线转4-20mA的数据信号转换装置

摘要

本发明属于工业控制领域，具体涉及一种适用于基于CAN协议的可以将基于CAN协议的数字量信号装换为工业通用的4-20mA信号的用于NOx传感器的CAN总线转4-20mA的数据信号转换装置。本发明包括NOx传感器1，第一CAN总线接口2、第二CAN总线接口3，数据处理模块5，第一光电隔离模块4、第二光电隔离模块6，4-20mA输出电路7。本发明装置中的NOx传感器信号传输可采用两种工作模式，当采用冗余数据转换模式时，一路数据传输出现故障后能够切换到另一路，保证系统运行的的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于工业控制领域，具体涉及一种适用于基于CAN协议的可以将基于CAN协议的数字量信号装换为工业通用的4-20mA信号的用于NOx传感器的CAN总线转4-20mA的数据信号转换装置。 

背景技术

随着社会的发展和环保意识的提高，世界对内燃机尾气排放中NOx的排放量要求越来越严格。为了能够迅速准确的检测NOx含量，解决NOx的排放问题，NOx传感器的应用变的越来越普遍。目前大部分NOx传感器内部为CAN总线控制单元，通过CAN总线输出NOx浓度大小。CAN总线具有较高的位速率、较高的抗电磁干扰性和很强的检错纠错能力，而且具有成本低，可靠性高，安装维护费用低的特点，已被广泛应用于汽车、船舶工业、交通运输、工业控制等领域。 

然而在工业控制应用领域，特别是PLC控制系统中，CAN总线应用并不广泛，即使有CAN总线模块，其价格也不菲。在工业控制系统中，4-20mA模拟量信号被广泛使用，它用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。4-20mA模拟量信号具有输出距离远，信号抗干扰能力强，使用方便的优点。 

为了将NOx传感器应用于工业控制领域，就必须实现NOx传感器CAN总线数据与4-20mA模拟量信号之间的转换，因此也就需要数据转换装置。中国专利申请号201020661289.9提出了一种模拟量输出装置，包括电源、微处理器、CAN总线单元、光电隔离电路及DA转换电路，接收数字量信号转换为模拟量信号，实现对信号的处理。中国专利申请号201120349179.3提出了一种光电隔离式4～20mA输出装置，包括微处理器、开关光耦、整形器、DA转换器和4～20mA环流发生器，无误差的转换数字信号为4～20mA模拟量信号。由于工业领域对可靠性的要求比较高，上述专利均为单路转换装置，可靠性不高，环境适应性较差，应用受到限制。 

中国专利号200710132579.7中提出了一种双路4-20mA直流模拟量输出装置,该装置由高速光隔离器、数/模转换器、运算放大器、电压基准源组成；其中,高速光隔离器、数/模转换器、运算放大器顺序串联连接,该电路可以通过FPGA的IO口模拟双路SPI通信线,将微处理器给出的并行数字信息转成DAC要求的串行数字流输出,实现4-20mA的直流模拟量输出。该转换装置缺陷是当一路出现故障时，导致与其对应的另一侧陷入瘫痪，重者会导致整个装置无法正常工作。本发明装置中的NOx传感器信号传输可采用两种工作模式，当采用冗余数据转换模式时，一路数据传输出现故障后能够切换到另一路，保证系统运行的的可靠性。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于NOx传感器的CAN总线转4-20mA的数据信号转换装置。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明包括NOx传感器1，第一CAN总线接口2、第二CAN总线接口3，数据处理模块5，第一光电隔离模块4、第二光电隔离模块6，4-20mA输出电路7，NOx传感器1输出数字量信号，经过两路CAN总线通过光电隔离模块4的信号隔离，传送到数据处理模块5，数据处理模块的信号经过第二光电隔离模块6发送给4-20mA输出电路7转化为4-20mA模拟量信号。 

光电隔离模块采用高速光藕TLP521-4，数据处理模块采用16位微处理器MC9S12XDP512， 

本发明的有益效果在于： 

本发明装置中的NOx传感器信号传输可采用两种工作模式，当采用冗余数据转换模式时，一路数据传输出现故障后能够切换到另一路，保证系统运行的的可靠性。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图。 

图2是本发明的工作示意图。 

图3为本发明的冗余数据故障处理过程。 

图4为本发明的光耦隔离输出电路。 

图5为本发明的CAN接收器电路。 

图6为本发明的4-20mA转换电路。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。 

本发明在于提供一种用于NOx传感器的CAN总线转4-20mA的数据信号转换装置，具体实施方案如下： 

用于NOx传感器的CAN总线转4-20mA的数据信号转换装置，包括NOx传感器1，CAN总线接口2、3，数据处理模块5，光电隔离模块4、6，4-20mA输出电路7、工作方式设置8和LED灯指示故障报警9等。上述模块之间信号传递，以NOx传感器1开始，依次经过CAN总线接口2、3，光电隔离模块4，数据处理模块5，光电隔离模块6，4-20mA输出电路7，使数字量信号转化为4-20mA模拟量信号。 

通过工作方式设置跳线8，使本装置实现双通道独立和冗余数据转化两种工作方式。 

NOx传感器1输出数字量信号，经过数据处理后转换成4-20mA模拟量信号，4mA表示NOx传感器量程的起点，20mA表示NOx传感器量程的终点。 

数据处理模块5可对NOx传感器1的数据进行判断和处理，适应本装置在不同的工作方 式下工作，保证装置工作的可靠性。若数据处理模块5判断发生故障时，LED灯指示故障报警9发出灯光报警信息提示。 

光电隔离模块4、6对输入、输出数据进行隔离处理，使本装置具有较好的环境适应性，抗干扰能力强。 

图1中NOx传感器1，CAN总线接口2、3，光电隔离模块4、6，数据处理模块5，4-20mA输出电路7，工作方式设置8和LED灯指示故障报警9。 

本发明结构如图1所示，主要包括NOx传感器1，CAN总线接口2、3，数据处理模块4，光电隔离模块5、6，4-20mA输出电路7，工作方式设置8和LED灯指示故障报警9等。上述模块之间信号传递，以NOx传感器1开始，依次经过CAN总线接口2、3，光电隔离模块4，数据处理模块5，光电隔离模块6，4-20mA输出电路7，将NOx传感器1输出的数字量信号转换为4-20mA模拟量信号输出。 

本发明工作如图2所示，主要包括电源电路，复位电路，晶振电路，微处理器，光耦电路，两路CAN收发，开关量输入输出，模拟量输出组成。两路CAN收发器通过光耦电路与微处理器交换数据，微处理器对输入数据进行处理，输出4-20mA模拟量信号。开关量输入输出包括微处理器的工作方式设置和声光报警信号输出等。 

本发明数据处理模块5的核心是微处理器，微处理器具有两路以上独立的CAN控制器，为两路CAN总线设定接收中断，赋予相应的中断优先权，分配不同的接收数据缓冲区、发送数据缓冲区，以及完成数据协议转换工作。数据处理模块5接收NOx传感器传输的数据，存入缓存区，按照协议转换。 

本发明装置具有两路以上的信号转换功能，通过工作方式设置8的跳线，可实现双通道独立和冗余数据转化的两种工作方式。独立数据转化工作方式时，每个通道可以独立工作，实现两路输入输出；冗余数据转化工作方式时，两个通道NOx传感器采集一个点的数据，经过数据处理和故障判断，数据处理模块5转化相对正确的一个数据并输出给两个通道，实现通道的冗余，保证装置的可靠性。 

本发明采用冗余数据转化工作方式工作时，数据处理模块5同时接收两路CAN总线数据，对每一个通道，数据处理模块5首先判断数据是否超出上下限，然后将本通道前多个测量数据的平均值和本次数据进行比较，超出设定阈值，判定故障；当两路CAN总线数据相差较大时，对每一个通道，再将本次数据和本通道前多个测量数据的外插预测值进行比较，取误差小的一路作为正确值，另一路认为故障；发生故障时，LED灯指示故障报警9发出灯光报警。 

本装置接收NOx传感器信号，两路CAN总线通过光电隔离模块4的信号隔离，传送到数据处理模块5。光电隔离模块采用高速光藕TLP521-4，使总线上的电压波动不会影响控制模 块，光电隔离模块输出电路如图4所示。 

控制模块5采用freescale公司16位微处理器MC9S12XDP512，片内资源丰富，具有5路独立的CAN总线控制器，采用单片模式即可满足要求，避免了外部总线扩展，增强了系统的可靠性。该处理器具有XGATE模块，可以承担CPU外围设备的处理任务，支持更多的确定性中断处理，避免了执行信息接收发送、通信转换时核心功能和中断处理的冲突。 

数据处理模块5接收两路CAN总线数据，转存入两路CAN数据缓冲模块TJA1050，电路如图5所示。接收数据具体长度可根据转换速率、CAN总线的波特率以及CAN总线应用层协议而定，其作用主要是消除协议转换模块波特率的不同带来的数据堆积，以及为数据处理和校验提供完整的应用层协议的数据段。 

本装置数据处理具体过程如下： 

（1）从CAN总线接口2、3读入数据； 

（2）从读入的数据中提出有关NOx浓度的数据In； 

（3）将In转化为NOx浓度Data，Data=In×0.005-200,Data的数值范围为[0,1500]; 

（4）如果Data>1500或者Data<0,发出报警； 

（5）通过4-20mA输出电路输出电流。采用16位转化电路时输出值OUT=65535×Data/1500; 

本装置冗余数据故障处理具体过程如下： 

（1）从CAN总线接口2、3读入数据； 

（2）得到两个通道处理的NOx浓度数据Data1和Data2； 

（3）如果Data1<0或者Data1>1500，发出报警； 

（4）如果Data2<0或者Data2>1500，发出报警； 

（5）如果|Data1-Data2|≤E，输出CAN总线接口1的数据； 

（6）如果|Data1-Data2|>E,E为设定阈值，利用CAN总线接口1获得的前三个数据进行三次方程插值，得到本次CAN总线接口1的预测数据值Data1*;利用CAN总线接口2获得的前三个数据进行三次方程插值，得到本次CAN总线接口2的预测数据值Data2*; 

（7）计算|Data*1-Data1|和|Data*2-Data2|，取两者误差最小的一路通道数据为真值； 

（8）如果|Data*1-Data1|>E，并且|Data*2-Data2|>E，发出报警，流程如图3所示。 

4-20mA输出转换采用AD421芯片，它是一种单片高性能数模转换器(DAC)，由电流环路供电，16位数字信号串行输入，4-20mA电流输出，符合工业控制标准信号输出要求，可较好的实现远程工业控制，电路如图6所示。 

另外系统中的噪声主要来自于电源，要对电源进行滤波电路处理，尽量减小电源的噪声。 本发明采用muRata公司的组合式电源滤波器BNX002，在0.5M-1GHz范围内有较高的插入损耗，可同时抑制电源线与地线噪声。