0.引言

現(xiàn)場總線技術(shù)和智能化儀表技術(shù)是目前自動與控制行業(yè)發(fā)展最快的兩大技術(shù)。在現(xiàn)場總線技術(shù)中，CAN總線是發(fā)展較為迅速的一種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于自動化領(lǐng)域。本文介紹的是一種基于CAN總線的智能變送系統(tǒng)。控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）是德國Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線能有效地支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

為滿足該控制系統(tǒng)既要集中管理又要分散控制的要求，基于CAN總線的電流、電壓變送系統(tǒng)采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且成本低。其網(wǎng)絡(luò)組成方式如圖1所示。

圖1. CAN總線的電流/電壓變送系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場CAN智能變送節(jié)點以微控制器為核心，配有CAN通信接口，其主要功能是采集各現(xiàn)場設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，并通過CAN總線將采集的數(shù)據(jù)交送給監(jiān)控站，供監(jiān)控站獲得采集數(shù)據(jù)的基本信息，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。監(jiān)控站（PC機(jī)）通過插槽中的CAN2PC總線適配卡實現(xiàn)與CAN智能測控節(jié)點的通信。在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，并沒有采用多主結(jié)構(gòu)方式，而是采用了一主多從的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該方式在一定程度上減輕了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

2 CAN智能變送節(jié)點的硬件設(shè)計

CAN智能變送節(jié)點具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制以及與CAN總線通信功能。該節(jié)點以Microchip公司生產(chǎn)的具有較高性價比的8bit增強(qiáng)型帶CAN控制器的Flash單片機(jī)PIC18F258為核心。該內(nèi)置CAN模塊兼容于ISO的CAN性能測試要求，位速率最大為1Mb/s，執(zhí)行CAN2.0B協(xié)議規(guī)范。變送器節(jié)點主要由信號調(diào)理單元、A/D采集模塊、單片機(jī)控制器和CAN總線通信模塊4部分組成。該智能變送節(jié)點面向的檢測對象主要是工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)電流信號（420mA/020mA/010mA）和電壓信號（05V/010V/±5V/±10V）。首先，電流、電壓信號通過多路開關(guān)選擇相應(yīng)通道，進(jìn)入信號調(diào)理環(huán)節(jié)，將信號轉(zhuǎn)換成ADC可以接受同時又能有效利用ADC輸入范圍的電壓信號。調(diào)理后的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對原模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換。并通過單片機(jī)I/O口存儲到其內(nèi)部相應(yīng)RAM區(qū)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的軟件濾波設(shè)計。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出命令，要求下位機(jī)回送采集數(shù)據(jù)時，下位機(jī)利用CAN總線接口單元將采集數(shù)據(jù)等基本信息發(fā)送到CAN總線上。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體框圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2.1 檢測電路設(shè)計

由于該系統(tǒng)對于電壓、電流檢測所要求的精度較高，在系統(tǒng)設(shè)計時并沒有采用PIC18F258內(nèi)置的10bitADC，而是采用美國Maxim公司生產(chǎn)的逐次逼近型16bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1166作為外置ADC.該芯片片內(nèi)除集成了逐次逼近型ADC所必須的逐次逼近寄存器SAR、高精度比較器和控制邏輯外，還集成了時鐘、4.096V精密參考源和接口電路。MAX1166的數(shù)據(jù)總線為8bit，故與目前廣泛使用的8bit微處理器連接非常方便。在該系統(tǒng)設(shè)計中，如何實現(xiàn)多種電壓、電流信號檢測方案的設(shè)計是重點之一。

2.1.1 電流檢測原理

被檢測電流經(jīng)過電流檢測芯片MAX472內(nèi)置采樣電阻RSENSE轉(zhuǎn)換為電壓信號，MAX951進(jìn)行信號運算，將其轉(zhuǎn)換為符合ADC模擬電壓輸入范圍的信號（05V）。圖3為420mA電流的檢測原理圖。

圖3 420mA電流檢測原理。

MAX472輸出電流為IOUT=ILOADRSENSE/RG1（1）

由此得輸出電壓為UOUT=ILOADROUTRSENSE/RG1（2）

式中RSENSE——檢測電阻ILOAD——檢測電流RG1——增益電阻ROUT——OUT腳輸出電阻由于電流檢測電路是把輸入的小信號電流轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號。故UOUT的范圍已經(jīng)被確定為ADC可允許輸入的最大電壓范圍。將UOUT代入式（2），依據(jù)UOUT輸出范圍和RSENSE、ILOAD及RG值，可得ROUT值。420mA電流經(jīng)過MAX472被轉(zhuǎn)換為1.256.25V.MAX951對該信號進(jìn)行了相應(yīng)的減法運算，從而得到05V.對于020mA/010mA可通過類似方法得到ROUT阻值，從而得到相應(yīng)UOUT.2.1.2電壓檢測原理。電壓信號的處理主要是采用電阻分壓的方法。通過對輸入端子進(jìn)行不同的輸入，使得經(jīng)過分壓后的電壓達(dá)到ADC要求的輸入范圍，從而滿足不同電壓范圍輸入的要求。電壓檢測原理如圖4所示。根據(jù)UO電壓推算INA、INB、INC輸入范圍，它們所對應(yīng)的INA、INB、INC輸入方法如表1所示。

圖4電壓檢測原理。

表1電壓輸入對應(yīng)表。注：本系統(tǒng)設(shè)計中Uref=5V.

2.2 CAN總線通信硬件電路設(shè)計

CAN控制器采用單片機(jī)的內(nèi)置CAN控制器，其接口電路使用CAN收發(fā)器PCA82C250、電源隔離模塊和高速光電隔離器6N137，并采用保護(hù)電路。PCA82C250是Philips公司生產(chǎn)的CAN收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線間的接口，用來提高總線驅(qū)動和通信抗干擾能力。其差分接收器共模抑制比寬，抗電磁干擾。它與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容，速度高達(dá)1Mb/s，抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾。它內(nèi)部有總線保護(hù)電路和限流電路，并具有電流待機(jī)工作方式和降低射頻干擾的斜率控制。采用PCA82C250可以最多連接110個節(jié)點，并且未上電的節(jié)點對總線無影響。

信號在傳輸線上遠(yuǎn)距離傳送時，如果遇到阻抗不連續(xù)的情況時，就會出現(xiàn)反射現(xiàn)象使信號扭曲，通常在傳輸線的末端接上120Ω的終端電阻來消除反射。為了保證信號質(zhì)量，PCA82C250與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。PCA82C250的內(nèi)部CANH和CANL引腳各自通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連，該電阻可以起到一定的限流的作用，使引腳免受過電流的沖擊；總線與地各自并聯(lián)一個30pF的小電容，具有一定的防電磁輻射和抗高頻干擾的功能；在總線和地之間分別反接一個IN4148反向保護(hù)二極管，起過壓保護(hù)作用。

3 CAN智能變送節(jié)點的軟件設(shè)計

3.1 主程序系統(tǒng)初始化

主要包括I/O口、CAN控制器、中斷以及用戶標(biāo)志數(shù)據(jù)的初始化。該過程主要對PIC18F258的基本資源進(jìn)行配置定義，將復(fù)用的PORTA資源配置為通用數(shù)字I/O口，并通過設(shè)置其輸入輸出特性，保證MAX1166的輸入、輸出以及控制信號引腳都得以正確配置，開啟相應(yīng)的中斷源，配置CAN接口，用戶標(biāo)志數(shù)據(jù)賦初值，初始化過程結(jié)束。通過設(shè)置模擬信號輸入的相應(yīng)數(shù)據(jù)通道后，單片機(jī)上電即開始進(jìn)行電流、電壓信號的檢測。上位機(jī)一旦發(fā)送命令請求下位機(jī)回送采集數(shù)據(jù)等相關(guān)信息后，下位機(jī)馬上產(chǎn)生中斷，回送一幀數(shù)據(jù)信息。監(jiān)控流程圖如圖5所示。

圖5系統(tǒng)監(jiān)控流程圖。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換是通過MAX1166實現(xiàn)的。MAX1166的一次轉(zhuǎn)換過程可分為轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備、模數(shù)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出3個階段。PIC18F258通過I/O口時序模擬MAX1166的控制信號，從而使MAX1166正常工作。MAX1166具體控制過程如圖6所示。

圖6 ADC轉(zhuǎn)換流程圖。

3.3CAN總線通信模塊軟件設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計中，變送器節(jié)點以中斷方式接收上位機(jī)所發(fā)送命令，回答被放在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行，數(shù)據(jù)傳輸方式采用CAN總線。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送命令要求下位機(jī)回送數(shù)據(jù)信息時，下位機(jī)立即進(jìn)入中斷服務(wù)程序（該接收中斷被定義為高優(yōu)先級中斷），發(fā)送采集數(shù)據(jù)等基本信息。圖7為CAN總線發(fā)送的流程圖。

圖7 CAN總線發(fā)送流程圖。

4上位機(jī)通信界面

上位機(jī)采用周立功公司的PCI5121適配卡與變送器節(jié)點進(jìn)行通信。測試軟件采用ZLG2CANTest，通過正確設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)通道、幀格式、幀類型以及ID，可以實現(xiàn)上、下位機(jī)的通信。通信界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)通信界面。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的智能變送系統(tǒng)實現(xiàn)了通用電流、電壓的檢測功能，采用CAN總線通信方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便。數(shù)據(jù)采集精度基本達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，控制精度較高。該系統(tǒng)通過硬件抗干擾措施和軟件濾波，有望進(jìn)一步提高各項性能指標(biāo)。