基于CAN總線的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

吳志玲 靳 鴻 陳昌鑫 王 棟

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實驗室、儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

傳感器、主控制單元、CAN控制器和CAN收發(fā)器。

在測試行業(yè)快速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集已經(jīng)發(fā)生了重要的變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于各類型局域網(wǎng)及分布式領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之所以能被廣泛應(yīng)用的原因在于:首先，分布式控制應(yīng)用場合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)取得了長足的發(fā)展;其次，總線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量不斷增大;再次，與個人計算機(jī)兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加。與此同時，國內(nèi)外各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先后問世，將數(shù)據(jù)采集技術(shù)帶入了一個全新的時代。

控制器局域網(wǎng)絡(luò) (controllers area network，CAN)是目前國際上影響最廣泛的現(xiàn)場總線之一［1］。CAN總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率高達(dá)1 Mbit/s，實時性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的檢錯糾錯［2］能力，可靠性高。因此，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1 總體方案

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上位機(jī)、多個CAN節(jié)點(diǎn)和CAN總線組成。其中CAN節(jié)點(diǎn)［3］包括

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the data acquisition system

系統(tǒng)一次完整的數(shù)據(jù)采集過程說明如下。

系統(tǒng)上電復(fù)位后，節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行系統(tǒng)初始化。初始化完成后，等待上位機(jī)發(fā)送開始采集數(shù)據(jù)的命令，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)響應(yīng)該命令后開始采集信號，并將所采集的模擬信號通過單片機(jī)內(nèi)部的A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集完畢后進(jìn)入等待狀態(tài)，若收到上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的命令，則在CAN核的控制下將數(shù)字信號經(jīng)由收發(fā)器發(fā)送到總線上，再傳輸給上位機(jī);否則，將數(shù)字信號通過CAN的專用緩沖寄存器存儲到消息RAM。繼續(xù)等待上位機(jī)的命令，直至節(jié)點(diǎn)收到上位機(jī)發(fā)送的停止數(shù)據(jù)采集命令。

2 系統(tǒng)性能

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)突出的性能優(yōu)點(diǎn)主要有以下三方面:微型化、可靠性和靈活性。詳細(xì)說明如下。

2.1 微型化

系統(tǒng)微型化主要通過兩方面來實現(xiàn)。一方面，節(jié)點(diǎn)主控單元所選用的單片機(jī)是Silicon Lab公司的C8051F500。C8051F500是SoC型單片機(jī)，它不僅集成了常用的模塊如定時器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、串口等，還集成了CAN、LIN等模塊，具備較高的集成度。該系統(tǒng)在省去獨(dú)立CAN控制器所占體積的同時，降低了外圍電路的復(fù)雜性，減小了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的體積。另一方面，CAN收發(fā)器［4］選擇 CTM1050T。CTM1050T是隔離型CAN收發(fā)器，自身具有電源隔離和電氣隔離的作用，避免了外接隔離器件，使得系統(tǒng)體積進(jìn)一步縮小。

2.2 可靠性

首先，單片機(jī)和CAN收發(fā)器的高集成度使系統(tǒng)外圍電路得到簡化，避免了部分系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對性能的干擾，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。其次，CAN總線采用差分信號對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，由于CAN總線的雙線受到的干擾是一致的，故其傳送的差分信號能有效避免或減少各種電磁噪聲帶來的影響。再次，CAN總線本身具有很好的檢錯糾錯能力，它可對錯誤來源進(jìn)行正確的定位，將永久的硬件錯誤從軟件錯誤中獨(dú)立出來。此外，CAN數(shù)據(jù)幀中包含CRC域，總線協(xié)議采用CRC檢驗并提供相應(yīng)的錯誤處理能力，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式［5］如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式Fig.2 Format of standard data frame

2.3 靈活性

基于CAN總線的特點(diǎn)，其上節(jié)點(diǎn)可以實現(xiàn)即插即用的功能且節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)110個［6］，所以CAN總線上節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展簡單、方便。此外，系統(tǒng)中的CAN節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集與傳輸，是一個通用性較強(qiáng)的模塊，在測量不同物理參數(shù)時，只需將節(jié)點(diǎn)前端的傳感器換成相應(yīng)不同類型的傳感器即可。因此，CAN節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用方便、靈活。

3 硬件與軟件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的核心模塊是CAN節(jié)點(diǎn)。單片機(jī)C8051F500與上端隔離收發(fā)器(CTM1050T)和下端傳感器共同構(gòu)成CAN節(jié)點(diǎn)模塊。CAN節(jié)點(diǎn)與總線的接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 CAN接口電路原理圖Fig.3 Principle of the CAN interface circuit

單片機(jī)內(nèi)部的CAN模塊即CAN控制器，它主要包括CAN核、消息存儲器、消息處理器和控制寄存器四部分［7］。單片機(jī)的MCU不能直接訪問內(nèi)部的消息RAM，因此將位于控制寄存器的接口寄存器(CAN0Ifx)分為兩組，其中一組用于存儲CPU對消息RAM訪問時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，另一組用于存儲消息RAM與總線進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。兩個消息寄存器組的功能相同，且允許它們相互被中斷，以解決消息RAM和總線之間數(shù)據(jù)收發(fā)與單片機(jī)和消息RAM之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突問題［8］。

3.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換和CAN數(shù)據(jù)收發(fā)三部分。CAN總線數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4所示。

圖4 CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Flowchart of data acquisition in CAN node

將系統(tǒng)采集的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，以CAN通信協(xié)議所要求的特定格式(CAN標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀)發(fā)送至消息緩存區(qū)［9］。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的模擬信號由其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送至消息緩存區(qū)［9］。在CAN模塊中，單片機(jī)內(nèi)部CAN處理器會控制消息緩存寄存器將數(shù)據(jù)寫入CAN寄存器，待發(fā)送請求到來時CAN控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)總線上有節(jié)點(diǎn)消息發(fā)送成功時，其他接收節(jié)點(diǎn)會產(chǎn)生接收中斷并響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷接收子程序接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)消息標(biāo)志符判斷該數(shù)據(jù)幀是否為自身節(jié)點(diǎn)所需的數(shù)據(jù)。若是所需數(shù)據(jù)，則存儲該消息;否則丟棄。此為一次數(shù)據(jù)收發(fā)的過程。

3.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括端口、晶振、時鐘、A/D模塊和CAN控制器的初始化。

3.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

單片機(jī)的ADC0由35/28路模擬多路選擇器(AMUX0)、可編程邏輯放大器(PGA)和1個采樣速率為200 kS/s的12位逐次比較寄存器(successive approximation register，SAR)組成。ADC0中還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。

單片機(jī)控制寄存器中A/D轉(zhuǎn)換使能位AD0EN被置為‘1’時，ADC0子系統(tǒng)(ADC0、跟蹤保持器和PGA)才被允許工作;當(dāng) AD0EN位為‘0’時，AD0C子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。當(dāng)有數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換時，AD0EN位被置‘1’，A/D模塊啟動，將系統(tǒng)測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果保存在ADC0數(shù)據(jù)寄存器ADC0H、ADC0L中。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸命令到來時，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給所需模塊。

3.2.3 CAN 數(shù)據(jù)收發(fā)

A/D轉(zhuǎn)換完成后，將其結(jié)果發(fā)送到CAN寄存器［10］，由CAN模塊完成與CAN總線上其他節(jié)點(diǎn)的通信。節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)或其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸請求命令后，進(jìn)入中斷程序，執(zhí)行接收中斷子程序，由接收子程序分析、判斷接收到的消息并響應(yīng)該數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令。接收子程序除了要完成數(shù)據(jù)接收外，在處理報文的過程中還要對總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。因此，接收子程序要比發(fā)送子程序復(fù)雜。

發(fā)送子程序主要負(fù)責(zé)完成消息的發(fā)送過程。發(fā)送消息時，只需將待發(fā)送數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)幀格式組成一條消息，送入發(fā)送緩存區(qū)，然后啟動消息發(fā)送即可［11］。消息發(fā)送過程與接收過程只是數(shù)據(jù)緩存寄存器與消息RAM之間的數(shù)據(jù)傳輸方向不同而已，其他的設(shè)置及對消息的處理過程基本相同。

4 測試結(jié)果

設(shè)計開發(fā)環(huán)境采用的是Silicon Lab IDE，并用其進(jìn)行仿真，所用適配器為新華龍公司生產(chǎn)的U-EC6(免驅(qū)動)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試結(jié)果采用VB界面進(jìn)行顯示。發(fā)送節(jié)點(diǎn)測試結(jié)果顯示界面截圖如圖5所示，總線上另一節(jié)點(diǎn)所接收到的數(shù)據(jù)顯示界面截圖如圖6所示。

系統(tǒng)中CAN節(jié)點(diǎn)的通信速率為1 Mbit/s。CAN總線上每個節(jié)點(diǎn)都可以作為主節(jié)點(diǎn)來發(fā)送或接收命令。各節(jié)點(diǎn)是否為主節(jié)點(diǎn)取決于該節(jié)點(diǎn)所收發(fā)報文的標(biāo)志符。測試結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效地解決了系統(tǒng)數(shù)據(jù)沖突問題，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、高效，系統(tǒng)的可靠性、實時性得到保證，滿足本次設(shè)計的初衷。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CAN節(jié)點(diǎn)是由傳感器、隔離CAN收發(fā)器CTM1050T和內(nèi)嵌CAN核的C8051F500單片機(jī)共同構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊。首先，因其采用CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的靈活性得到提高;其次，解決了CAN消息內(nèi)部傳輸時可能發(fā)生的沖突問題，使系統(tǒng)的可靠性得到保證;最后，采用了內(nèi)部集成CAN核的單片機(jī)，并且同以往的節(jié)點(diǎn)相比，減少了外部隔離光耦，使得外圍電路得以簡化，從而使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的微型化得以實現(xiàn)。系統(tǒng)的靈活性、可靠性得到保證，微型化得以實現(xiàn)，從而使基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛。

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