CAN總線智能信號采集模塊的設計與實現＊

羅 偉 朱若寒

（1.95890部隊政治處 武漢 430030）（2.國防信息學院 武漢 430030）

1 引言

隨著現代軍事戰場環境的日益復雜嚴酷，對軍用裝備的可靠性要求愈加嚴格。為提高測控系統的可靠性，許多軍用測控裝備常常需要對現場采集的各類信號采取抗干擾處理措施，并進行數字化傳輸［1～3］。本文針對某艦用監測系統監控設備多、分布范圍廣、信號傳輸實時性要求高的特點，通過智能信號采集模塊，實現監控節點的多路信號實時傳輸。

2 系統總體結構

系統由一個上位機及多個智能信號采集節點組成，所有智能節點通過CAN總線與上位機相連，對監控設備實現信息采集。盡管CAN總線具備一定的抗干擾能力［4～6］，但由于艦船環境極為惡劣且維護保障困難，因此必須對總線采取冗余設計［7～8］。如圖1所示。

3 系統硬件組成及工作原理

節點通過以80C51F單片機為控制核心，采用TJA1050作為CAN總線接口部件。將4路4～20mA傳感器信號進行調理，得到以符合模數轉換器件工作范圍的電壓信號。經調理的模擬量送入單片機IO引腳。單片機負責數據的分析、處理，并協調與外部節點的通訊。

3.1 信號調理模塊

AD采集的信號來自于傳感器的標準電流輸出。設計輸入電阻為200Ω，對應輸入電壓0.8V～4.0V。采用該電壓作為過流報警的輸入，將該電壓經過50%的分壓，連接到單片機IO引腳作為AD的輸入信號，電壓范圍是0.4V～2.0V。同時為了保護單片機IO口，在IO口到地跨接2.7V的穩壓管。該模塊的電路原理圖如圖2所示。

3.2 過流報警模塊

采用LM339電壓比較器，比較電壓為4V，正常情況下比較器輸出為低電平，當輸入電流經過200Ω電阻產生的電壓大于4V時，比較器輸出端變成高電平。將4路輸入對應的比較器輸出與單片機IO連接；同時將這4路比較器輸出通過一個4或邏輯電路，產生一個中斷信號，與單片機INT0連接，用于實現過流報警。74LS32為4路2或門，通過級聯產生4或邏輯。該模塊電路原理圖如圖3（a）和圖3（b）所示。

圖2 信號調理模塊原理圖

圖3（a） 過流報警模塊（電壓比較電路）

圖3（b） 過流報警模塊（過流中斷電路）

3.3 CAN通訊模塊

采用兩個以CAN接口芯片TJA1050為中心的帶冗余CAN物理接口的典型的CAN保護電路設計。可通過單片機IO經過多路開關選擇默認線路還是冗余線路，利用軟件判斷并控制切換時機。該模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 CAN通訊模塊原理圖

4 軟件設計

4.1 數據采集

通過分時復用，采集4路12bit的AD數據并存儲。用默認的參考電壓2.25V，設定增益為1。為進一步提高精度，在軟件設計中采用滑動平均濾波進行信號抗干擾處理。

4.2 CAN通訊

通訊協議采用CAN2.0A規范，其消息ID為11位［9～10］。根據系統需求，采用2組消息對象進行通訊：

1）命令幀：

該過程由上位機發起，向指定智能節點發送控制指令，包括控制設備IO狀態、請求AD數據等。所有命令統一數據域長度為4字節，首字節為命令字，第2字節為命令碼，其他字節保留，并用0填充。幀格式如圖5所示。

圖5 命令幀格式

其中命令字定義為：0x0F—控制設備IO；0x02—查詢IO狀態；0x04—查詢AD數據。

當命令字為0x0F時，命令碼有效，代表控制的IO通道編號；當命令字不為0x0F時，命令碼無效，填充為0。

2）數據幀：

智能節點接收到上位機命令幀后，根據命令字向上位機發送采樣數據或當前IO狀態。由于每個智能節點有2路AD通道，每路通道12位。將數據域長度設為4個字節。對于發送AD數據，前兩字節DA1為通道0采樣并換算所得電流值；后兩字節DA2為通道1采樣并換算所得電流值數值。0表示該通道出現斷線故障。發送AD數據的幀格式見圖6。

圖6 數據幀格式—AD數據

對于發送IO狀態數據，前兩個字節為節點當前ID號，第3字節為IO狀態信息，第4字節保留，并以0填充。幀格式見圖7。

發送IO通道狀態的幀格式。

圖7 數據幀格式—IO狀態數據

4.3 任務調度

智能節點指標要求AD采樣率達到100KHz，為保證實時性，需要在10us時間內，完成一次數據的采集與處理過程。期間的關鍵時間為CAN數據收發時間以及AD數據處理時間。

CAN數據收發主要處理收發成功或出錯時中斷子程序的寄存器配置；當出錯中斷程序發現在最近10秒內始終無法與上位機建立正常通訊連接，自動將通訊鏈路切換到備份通道。

AD采樣完成信號連接為外部中斷，其處理過程是對AD數據進行濾波等處理，以獲得需求規定范圍內的線性度。

5 結語

本文介紹了一種基于CAN總線結構的智能信號采集模塊的設計與實現。艦船監控系統可通過分布在艙室內的各智能節點模塊，完成對艦船設備的全面監控與有效管理。同時，采用雙CAN網絡結構進一步提高了系統的可靠性。

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