CAN總線智能節點在潛孔鉆車平臺上的應用

郭 然

(浙江衢州廣播電視大學，衢州 324000)

0 引言

潛孔鉆車體積龐大，傳感器布置分散，使用環境較為惡劣，傳統的信號采集容易受到干擾，而且由于距離較長，衰減厲害，給潛孔鉆車電氣控制帶來麻煩。CAN (Controller Area Network) 總線，也稱控制器局部網，屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布控制或實時控制的串行通信網絡。它能提供高速數據傳送，在短距離（40m）條件下具有高速（1Mbit/s）數據傳送能力，而在最大距離10Km時具有低速（5kbits/s）傳輸能力，非常適合在潛孔鉆車電氣平臺上，實時傳送潛孔鉆車平臺上的溫度、濕度、壓力等信號到控制中心進行集中處理。

1 節點通信硬件設計

CAN節點的通信硬件電路主要由微處理器、CAN總線通信控制器和CAN總線收發器組成。其中，通信控制器是節點硬件的核心，它主要完成CAN總線的通信協議[2]。而收發器的作用是增大通信距離，保護系統不受干擾。本文設計的CAN節點通信芯片采用PHILIPS的SJA1000總線通信控制器，微處理器采用AVR的ATMEGA16A，收發器采用82C250，為提高抗干擾性，增加了高速光電耦合器6N137。

注意CAN通信節點兩端應接有兩個120歐姆電阻，以匹配總線阻抗。

2 節點信號調理電路

本文設計的新型信號調理電路主要完成信號的轉換、模擬信號的低通濾波和線性隔離等任務，實現4~20mA的電流信號到0~5V電壓信號的線性轉換[3]。

信號調理電路的核心是Burr-Brown公司的RCV420和HP公司的HCNR201[4]。RCV420是一個精密電流環接收器，將4~20mA的電流信號轉換成0~5V的電壓信號，性能優異，可靠性高。輸出與輸入關系公式為：

Vo=312.5×In-1.25

HCR201是一種高線性度的模擬光電耦合器。最大非線性為0.05%，最大帶寬在1MHZ以上，耐壓指標為5KV/min，性能穩定，能在直流/交流、單極/雙極等條件下工作。本文設計的線性光電耦合電路如圖2所示。

輸入側使用了一個外接的反饋放大器，以監測LED輸出的光的強度，并自動補償LED的非線性。輸出側的光電二極管PD把線性化的光強度轉化成相應的電流，通過輸出側的放大器轉換為電壓，從而完成高線性度的模擬電壓隔離，同時完成低通濾波器的功能。電路的轉換公式為：

根據公式可看出，Vin與Vout之間是線性關系，與LED的輸出非線性無關。電路的增益由R2和R1的比值來決定。

將上述兩部分電路組合在一起，即可構成一個簡單實用、高精度的信號調理電路，調理電路的輸入輸出方程如下：

信號的AD轉換部分由微處理器內部自帶10位AD完成，簡化了硬件電路，從而使整個系統的安全性大大提高。

3 高效率電源設計

電源是電子系統的心臟，是整機系統的一個重要質量指標，其性能的好壞直接影響整機的運行。針對工業現場情況，本文設計了一種高效率、高功率密度的DC/DC電源，采用富士通公司的MB39A135電源管理芯片[5]。MB39A135采用Nch/Nch同步整流主電路側FET Sense型電流模式。檢測線圈電流（IL）和輸出電壓（VO），進行 On Duty 的控制。該產品通過內置PFM功能在全負荷領域實現高效率工作，通過采用電流模式實現比過去的電壓模式更快速的負荷過渡響應特性。

圖3 MB39A135 引腳圖

圖4 電源轉換電路

該芯片有兩種工作模式：PFM/PWM 自動切換模式、PWM強制模式。其設定方法如表1所示

表1 模式設定

電源轉換電路圖圖4所示

可以通過調整圖4中的電阻R8和R9的比來設定輸出電壓，設定電壓公式為：

通過調整RT引腳處的電阻設置工作頻率，頻率公式為

通過測試，當負載為1A時，轉換效率為93%，輸出電壓的負載調整率為0.5%，輸出電壓的波紋值為20mV，啟動時間為3mS。符合性能指標要求。

4 總結

本文設計的CAN智能節點實現了將潛孔鉆車上常用的(4～20mA)模擬信號轉換成能夠進行CAN總線通信的串行通信信號，擴大信號的傳輸距離的同時提高了通信速率，并且增強了信號傳輸的抗干擾性[6]，保證了潛孔鉆車電氣平臺信息傳輸的實時性與準確性。節點以微控制器ATMEGA16A為核心，具有八路(4~20mA)模擬信號輸入，由CAN通信控制器SAJl000和CAN總線協議控制器PAC82C250組成CAN總線接口電路。電源采用的是一款低功耗電壓電源管理芯片MB39A138，可以根據設計可以控制輸出電壓，通過外圍電路的設計為系統提供各種保護功能。通過實際應用測試，本文設計的節點具有實現簡單、運行穩定、低功耗、高性價比的特點，非常適合于潛孔鉆車的使用環境，還可根據傳感器的布局任意組網， 使用效果良好。

[1]仲偉波,丁修方.基于CAN總線的船舶機艙延伸報警系統[J].江蘇大學學報（自然科學版）,2012.3

[2]苗中華,褚劍鋼等.采棉機智能監控系統CAN應用層協議設計[J].農業機械學報,2012.2

[3]IAN B and ALAN B.Timely use of the CAN protocal in critical HardReal-time systems with faults[J].IEEE Transactions on industrial electronics，2007.5

[4]王文建.基于CAN總線的現場設備控制管理系統[J].自動化博覽，2005.6 [5]GIANLOUCN C and ADRIANO LV.An improved CAN fieldbus for industrial applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006.5

[6]徐剛,王樹龍等.基于CAN總線的液氮泵車控制系統[J].制造業自動化，2012.12