基于CAN總線的嵌入式監控設備的設計

孔祥通，王春平，孫書鷹，劉江義

（軍械工程學院，河北 石家莊 050003）

0 引 言

CAN總線作為國際上應用最為廣泛的現場總線之一，具有可靠性高、通信實時性好以及可擴展性強等諸多特點，在工業現場控制、信號采集系統等眾多領域中得到了廣泛應用[1]。火控系統是控制火炮瞄準和發射的系統，火控計算機是火控系統的核心，在完成火控解算進而引導高炮射擊時具有重要作用。由于火控系統信號眾多，狀態復雜，對其關鍵信號采集測試就顯得尤為重要[2]。

基于以上原因，設計了一種基于CAN總線的某型高炮火控裝備信號采集監控設備，該設備具有模擬、數字信號的實時、定時采集功能，通過CAN網絡，可完成多節點信號采集。

1 硬件設計

系統采用以ARM Cortex-M4為內核的新型STM32F4微控制器作為控制核心，配以信號調理電路、通信接口電路等外設電路實現。系統工作原理為：STM32F407為控制核心，主要完成外設擴展和數據處理、通信功能。對于模擬量的采集，需要將信號首先經調理電路處理后由專用A/D轉換芯片處理后送入MCU內；數字信號則經電平轉換后直接輸入MCU的GPIO，采集節點和方式由軟件統一管理。CAN模塊用于組建CAN網絡，便于實現整網數據節點的采集處理。系統結構如圖1所示。

圖1 信號采集監控系統硬件結構圖

1.1 STM32F4微控制器

STM32F4微控制器是由意法半導體生產的基于ARM Cortex-M4內核的新型低成本微控制器，性能優越[3]。下面主要說明選用此型號MCU的原因：

（1）內核架構先進，性能優越。此型號MCU特有的ART技術使得程序零等待執行，提高了執行效率，主頻為168 MHz且可適當超頻，具有較高的運算能力及數據處理功能。

（2）片內多達1MB Flash，可以實現在不加外部存儲器的情況下實現大量數據的存儲，降低了開發成本。

（3）具有日歷功能的32位實時時鐘（RTC），計時精度達到1s，在系統工作時可實時得到數據采集時間，通過調用實時時鐘中斷，可實現定時采集功能。

（4）通信接口豐富，可方便完成功能擴展。STM32F4內部集成CAN控制器，通過外接相關的CAN收發芯片可方便實現CAN網絡通信。此外，其具有高速串口、SPI等通信接口，支持多種通信方式及外設擴展。

1.2 模擬信號采集電路

模擬信號采集電路主要由信號調理電路和A/D轉換電路兩部分組成。信號調理電路完成模擬信號的預處理，將輸入信號調理按比例放大（縮小）為符合A/D轉換處理范圍的信號；A/D轉換電路將調理后的待采集模擬信號經A/D轉換芯片轉換為數字信號后經SPI總線送入MCU內，供MCU處理。

1.2.1 信號調理電路

由于待采集模擬信號不一定符合A/D轉換芯片所能夠處理的電壓范圍，因此需要對其調理轉變為可處理的信號。圖2為模擬信號調理電路，它將設備輸出的模擬信號進行濾波及放大處理。圖中電容C50用來濾除一些來自地端的高頻串擾；R37為電位器，可用于靈活調整信號輸出大小；2V穩壓二極管可用于保護運放LF412不被損壞。另外，LF412使用雙電壓模式，具有較高的轉換速率，較為適合完成某些變化速率較快的信號處理工作。

圖2 信號調理電路原理圖

1.2.2 A/D轉換電路

MAX1270是MAXIM公司生成的8通道、12位串行高速A/D轉換芯片，與MCU通過SPI（三線制）方式通信，高達110 kS/s采樣率[4]，通道選擇可通過軟件編程實現，適合完成設計需要任務。使用時，首先對芯片及通信端口進行初始化，然后通過unsigned short SPI1_SendByte（u8 channel_number）函數發送其通道代碼，返回值即此通道A/D轉換數值，channel_number 為：0x88、0x98、0xa8、0xb8、0xc8、0xd8、0xe8、0xf8，依次表示0~7號通道。

1.3 CAN網絡電路

控制器局域網CAN能夠以最小的CPU負荷來高效處理大量收到的報文，可用軟件配置報文發送的優先級特性。由于此MCU自帶有CAN總線控制器，外圍只需要接一塊總線接口芯片即可實現CAN總線功能。圖2為CAN總線收發器65HVD290接口電路，CAN總線的物理連接分為CANH和CANL兩根線，以差分形式輸出。該器件具有較強的抗寬范圍共模干擾、電磁干擾的能力，可用于高干擾環境下[5]。綜合通信距離和性能，CAN網絡通信波特率設為500kB。

2 軟件設計

2.1 通信協議設計

CAN協議只是定義了物理層和數據鏈路層，這樣就為根據實際需要制定與系統適應的CAN協議提供方便[6-7]。現在較為成功的定制協議主要有CAN-open協議和DeviceNet協議，但其主要應用于大型系統，對本系統不適合[8]。系統傳遞的信息主要有模擬信號采集值、數字信號采集值以及時間信息，因此采用自定義的CAN擴展協議格式，一個數據幀共31字節。具體含義及規定如表1所示。

系統采用的是CAN標準幀格式，ID為11位。表2為ID功能分配表。

表1 CAN擴展協議格式

表2 ID功能分配表

2.2 模塊軟件設計

使用Keil開發平臺，利用C語言進行源程序開發，通過J-Link進行下載調試，ST公司提供大量庫函數，開發簡單方便[9]。程序采用模塊化結構開發，各模塊相對獨立，包括系統初始化、模擬數據采集模塊、數字信號采集模塊、CAN節點初始化模塊、報文發送模塊、報文接收模塊等，具有易于維護、簡化代碼的優點。

系統上電后，首先完成系統初始化，如：時鐘初始化、A/D轉換初始化、通信接口（包括SPI、串口、CAN等）初始化，然后根據上位機指示完成實時時間設置，從而可以實現實時采集和定時采集功能。

2.2.1 數據采集軟件設計

數據采集分為模擬量和數字量兩部分，模擬量采集主要由MCU通過SPI接口控制A/D轉換芯片MAX1270完成；數字量的采集通過STM32的輸入引腳進行實時狀態捕獲實現。

模擬量采集時，首先對ADC進行初始化，確定采樣時間設定、轉換時鐘設定等；然后啟動ADC，對經過調理信號進行采集，采樣結果為8次連續采樣的平均值；A/D轉換結束后，轉入相應服務程序。其信號采集流程如圖4所示。

圖3 CAN接口電路

對于數字信號采集電路設計時，要注意將被測信號先進行同步及電平轉換，即接入一片74HCT245，然后將此管腳對應的輸出信號接至MCU數據手冊中標注FT（容忍5V）的管腳上。

在完成采集后，需要調用CanMessage_Assemble（）函數將數據組合為符合通信協議的數據幀。

2.2.2 CAN軟件設計

CAN總線部分的程序主要包括初始化部分、接收子程序、發送子程序3個部分。初始化程序主要包括裝載標識符和屏蔽碼及設置波特率等工作[10]。數據發送時，首先將待發送數據寫入發送緩沖器，待發送請求得到回應后即可完成數據發送。數據接收時首先檢查是否有接收中斷；若有，則調用中斷，進而讀出接收緩沖器中數據并存儲，等待下一步處理。數據發送和接收流程如圖5所示。

圖4 模擬數據采集流程

3 實驗測試

采用4個節點對系統進行實驗，主控節點設為節點1，每個節點對應一臺裝備。通過主控節點發送被檢測的設備節點號及命令，預設被采集的設備模擬通道采用30V測試源，數字信號狀態均為高電平，時間為當前系統時間，測試程序如圖5所示。

圖5 CAN發送和接收流程圖

為對系統性能有更全面的了解，對于30V穩壓電源為輸入測試源，結果如表3所示。可以看出，采集值最小為29.93V，平均值為29.956V，最大誤差為0.23%，采用更多次測量結果也基本符合上述規律。數字信號高低電平采集結果經測試也均為正確值。

表3 30V測試源實測數據

4 結束語

介紹了基于CAN總線的某裝備嵌入式監控采集系統，具有可靠性高，通信網絡結構簡單，適用性較好等優點，充分利用了現場總線的技術優勢。設計采用了性能優越的ARM內核和STM32F4芯片，極大提高了系統的性能和可擴展性。經實踐表明，整個系統工作穩定，實時性高，節點和功能易于擴展，可有效實現某型裝備重點信號的監控采集功能。

[1]韓鑫，鮑可進.CAN總線網絡層協議棧開發測試[J].計算機工程，2011，37（15）：232.

[2]周建平.火控計算機多功能板設計與實現[D].西安：電子科技大學，2008：1-5.

[3]意法半導體.STM32F4參考手冊[Z].http://www.st.com/，2011：1-3.

[4]Maxim Inc.MAX1270/MAX1271 Datasheet[R].www.maxim-ic.com/，2004：1-3.

[5]姜飛.基于CAN通信適配器硬件設計與軟件驅動編程[J].計算機測量與控制，2011，19（8）：2033-2034.

[6]李霞，蔡啟仲，陳文輝.基于CAN的嵌入式PLC和監控系統通信設計[J].儀表技術與傳感器，2011（10）：41-42.

[7]李軍民，祝紅軍，夏添.基于CAN總線的嵌入式Linux網關設計[J].西華大學學報：自然科學版，2007，26（6）：4-6.

[8]王泓.CAN總線的消息機制[J].中國測試技術，2006，32（1）：130-131.

[9]孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].微計算機應用，2010，31（12）：59-61.

[10]喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Corex-M3核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2011：400-427.