基于STM32的CAN總線數(shù)據(jù)采集卡設計

李蛟龍，任子真

(沈陽化工大學 計算機科學與技術學院，遼寧 沈陽 110142)

數(shù)據(jù)采集(DAQ)是指在傳感器和其他設備中對模擬和數(shù)字單元進行非電量或電量信號的自動采集和分析處理[1].在工廠里監(jiān)控環(huán)境及設備的正常運轉(zhuǎn)，需要測量電流、電壓、溫度等參數(shù).這時數(shù)據(jù)采集的正確性就顯得尤為重要，也對數(shù)據(jù)采集卡提出了較高的要求.現(xiàn)階段國內(nèi)外板卡均參照IBM-PC機的總線技術標準設計和生產(chǎn)，用戶只要把這類板卡插入IBM-PC機主板上相應的I/O擴展槽中就可以迅速方便地構成一個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，但相對成本較高，不便于攜帶.所以本文提出了一種低成本、高性能的數(shù)據(jù)采集卡設計方案，便于攜帶且性價比較高.采用STM32作為微控制器，并用內(nèi)嵌式A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集的信號進行轉(zhuǎn)換、CAN總線進行傳輸?shù)囊惶讛?shù)據(jù)采集卡程序，同時配備上位機形成一套完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).該系統(tǒng)具有高性能、低成本、方便攜帶的特點.數(shù)據(jù)采集卡的設計包括嵌入式硬件設計和嵌入式軟件設計兩部分：硬件設計包括A/D轉(zhuǎn)換電路設計和CAN總線電路設計；軟件設計包括 A/D轉(zhuǎn)換程序設計和CAN總線程序設計.

1 總體設計

采集卡的硬件設計主要是最小系統(tǒng)電路的設計和轉(zhuǎn)換傳輸?shù)碾娐吩O計.最小系統(tǒng)電路的主要作用是形成單片機的基本功能電路；轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)碾娐酚脕韺㈦妷骸㈦娏鳌囟刃盘栟D(zhuǎn)化及數(shù)據(jù)的實時傳輸.根據(jù)控制要求向MCU發(fā)出響應，采集所需要的信號，收集到的信號將傳輸?shù)絊TM32芯片，在上位機下載程序.采集卡的軟件設計主要是由A/D信號采集模塊、CAN總線數(shù)據(jù)傳輸模塊、I/O口輸入輸出程序組成.采集卡的總體設計框圖如圖1所示.

圖1 總體設計

2 硬件設計

2.1 最小系統(tǒng)電路設計

STM32F103xx增強型系列由意法半導體集團設計，使用高性能ARMCortex-M3、32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128 kB的閃存和20 kB的SRAM)，豐富的I/O端口和外圍設備及APB總線[2].所有類型的設備包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，也包括標準和先進的通信接口：I2C、SPI、3個USART、1個USB和1個CAN.具有高性能、實時功能、數(shù)字信號處理、低功耗和低電壓運行特性，同時保持了高集成度和易開發(fā)性的特點[3].圖2為最小系統(tǒng)電路圖.

圖2 最小系統(tǒng)電路

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設計

A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，通過特定的電路來實現(xiàn).模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號.在A/D轉(zhuǎn)換之前，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須是通過各種傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換成的電壓信號.

ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，有18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源.各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或者間接模式執(zhí)行，ADC的結果可以用對齊的方式存儲在16位的數(shù)據(jù)寄存器中[4].

轉(zhuǎn)換的核心是將供電電路進行必要的降壓和升壓，單片機A/D輸入信號的電壓范圍從0～3.3 V提高至-12～12 V，經(jīng)過電壓輸入、轉(zhuǎn)入輸入通道、轉(zhuǎn)換順序、觸發(fā)源、轉(zhuǎn)換時間、中斷、電壓轉(zhuǎn)換的步驟完成ADC轉(zhuǎn)換.

2.3 CAN總線設計

CAN總線不同于I2C總線和SPI總線.CAN總線定義了一個更優(yōu)秀的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，是一個真正的多主機網(wǎng)絡.當總線處于空閑狀態(tài)時，任何節(jié)點單元都可以應用成為主機.其原理為首先訪問總線的節(jié)點，節(jié)點可以獲得總線的控制權，當多個節(jié)點同時獲取總線的控制權時，會發(fā)生仲裁事件，高優(yōu)先級的節(jié)點將獲得總線控制權.

CAN總線的物理連接只需兩根線，常稱為CAN_H和CAN_L，通過差分信號進行數(shù)據(jù)的傳輸.CAN總線有兩種電平，分別為隱形電平和顯性電平，因此兩種電平有著以下關系：若隱形電平相遇，則總線表現(xiàn)為隱形電平；若顯性電平相遇，則總線表現(xiàn)為顯性電平；若隱形電平和顯性電平相遇，則總線表現(xiàn)為顯性電平[5].CAN總線收發(fā)示意圖如圖3所示.

圖4、圖5分別為采集卡電路板的打樣圖和實物圖.

圖3 CAN收發(fā)示意圖

圖4 電路板打樣圖

圖5 電路板實物圖

3 軟件設計

3.1 A/D轉(zhuǎn)換程序設計

(1)配置RCC寄存器組，配置PLL時鐘為72 MHz并作為主時鐘，配置PCLK2為PLL的2分頻，并配置ADC時鐘為PCLK2的4分頻.

(2)打開ADC設備時鐘，同時打開GPIOB設備時鐘.

(3)配置GPIOB.0引腳為模擬輸入模式.

(4)初始化ADC寄存器組，使用ADC1第8轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換通道數(shù)為1，采樣時間為60 s.

(5)配置USART寄存器組.

ADC完成單次轉(zhuǎn)換所需時間為

tcov=Nperiod/fadc.

其中：t為單次轉(zhuǎn)換時間;N為整個轉(zhuǎn)換所需周期;f為時鐘頻率.

ADC轉(zhuǎn)換與采樣電壓之間的關系：STM32微控制器的ADC為12位精度，則表示其轉(zhuǎn)換結果數(shù)據(jù)最大為0X0FFF,測取STM32的參考電壓為Uref轉(zhuǎn)換為Usample，利用公式計算出所對應的采樣電壓Usample[6]為

Usample=Uref×Uvalue/(0X0FFF+1).

為了保證采樣速度，采樣的最小時間選擇為1 μs，A/D獨立模式，單通道、單次、右對齊，按照規(guī)則通道轉(zhuǎn)換完成.圖6為A/D轉(zhuǎn)換的程序設計流程.

圖6 A/D轉(zhuǎn)換的程序設計流程

3.2 CAN總線程序設計

(1)初始化RCC寄存器組，配置PLL輸出時鐘，分別打開CAN、GPIOA、USART1的設備時鐘.

(2)設置CAN的Tx引腳為復用推挽模式，并設置Rx引腳為上拉輸入模式.

(3)初始化控制器寄存器組，其中CAN工作模式為環(huán)回模式.

(4)初始化USART、使用拓展數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送，ID為0XAA，數(shù)據(jù)長度為8.

計算波特率是使用任何總線的重要內(nèi)容之一，CAN波特率計算公式為

波特率=1/正常的位時間[7].

其中：正常的位時間=1×tq+tbs1+tbs2，tq=CAN的分頻數(shù)×tpclk,ttpclk為APB1總線的時鐘周期；tbs1和tbs2稱為時間段1、時間段2，這兩個階段的時間長度都是以tq的時間單元為單位，tbs1的時間長度設置為8tq，tbs2的時間長度設置為7tq.

CAN通信實驗流程如圖7所示.

圖7 CAN通信實驗流程

采集卡主程序設計的部分代碼如下：

main主函數(shù)

#include “stm32f10x.h”

#include “iwdg.h”

#include “adc.h”

#include “can.h”

#include “l(fā)ed.h”

extern vu16 AD_Value[50][3];//用來存放ADC轉(zhuǎn)換結果，也是DMA的轉(zhuǎn)換地址

extern vu16 After_filter[3];//用來存放平均值之后的結果

u16 GetVolt(u16 advalue0);//獲取電壓值

u16 GetCurrent(u16 advalue1);//獲取電流值

u16 GetTemp(u16 advalue2);//獲取溫度

int main(void)

{

u8 TransmitMailbox = 0;//定義消息發(fā)送狀態(tài)變量

CanTxMsg TxMessage;//定義消息發(fā)送結構體

IWDG_Configuration();//設置獨立看門狗

CAN_Configuration();//配置CAN控制器

ADC_Configuration();//配置ADC

DMA_Configuration();//配置DAM

LED_On();//LED指示燈點亮

while(1)

{

filter();//求平均值函數(shù)

TxMessage.StdId = 0x317;//標準ID：0x317

TxMessage.RTR = CAN_RTR_DATA;//類型為數(shù)據(jù)幀

TxMessage.IDE = CAN_ID_STD;//使用標準標識符

TxMessage.DLC = 8;//數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)

TxMessage.Data[0]= 0x00;

TxMessage.Data[1]= 0x00;

TxMessage.Data[2]=(unsigned char)(GetTemp(After_filter[0])>>8);//溫度傳輸

TxMessage.Data[3]=(unsigned char)(GetTemp(After_filter[0]));

TxMessage.Data[4]=(unsigned char)(GetVolt(After_filter[1])>>8);//電壓傳輸

TxMessage.Data[5]=(unsigned char)(GetVolt(After_filter[1]));

TxMessage.Data[6]=(unsigned char)(GetCurrent(After_filter[2])>>8);//電流傳輸

TxMessage.Data[7]=(unsigned char)(GetCurrent(After_filter[2]));

TransmitMailbox = CAN_Transmit(CAN1,&TxMessage);//數(shù)據(jù)發(fā)送

while((CAN_TransmitStatus(CAN1,TransmitMailbox)!= CANTXOK));//等待發(fā)送完成

IWDG_ReloadCounter();//看門狗喂狗

}

}

4 結 論

通過硬件電路板的焊制以及調(diào)試和上位機的演示接收發(fā)送可以很完整地采集到數(shù)據(jù)，形成一個簡潔完善的系統(tǒng).采用STM32芯片內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換功能、CAN總線傳輸?shù)葍?nèi)部功能，成本低廉，設計簡單，易于使用.系統(tǒng)不足之處在于只能實現(xiàn)較小量的數(shù)據(jù)采集，有待繼續(xù)開發(fā)，現(xiàn)階段可實現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)品的運營，可以適用于儀器儀表，計算機等領域.