基于CAN總線的電流、電壓變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了一種基于CAN總線技術(shù)在電流、電壓變送器中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。給出了變送器的整體結(jié)構(gòu)，闡述了電流、電壓的測(cè)量原理，論述了變送器的硬件組成和軟件實(shí)現(xiàn)方法，上位機(jī)采用PCI5121適配卡與變送器進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、性價(jià)比高等特點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。

　　0.引言

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和智能化儀表技術(shù)是目前自動(dòng)與控制行業(yè)發(fā)展最快的兩大技術(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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)?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（ControllerAreaNetwork,CAN）是德國(guó)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(cè)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(shí)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(jiǎn)單且成本低。其網(wǎng)絡(luò)組成方式如圖1所示。

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

　　現(xiàn)場(chǎng)CAN智能變送節(jié)點(diǎn)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(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)與CAN智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　CAN智能變送節(jié)點(diǎn)具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、控制以及與CAN總線通信功能。該節(jié)點(diǎn)以Microchip公司生產(chǎn)的具有較高性價(jià)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(cè)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(diǎn)主要由信號(hào)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(diǎn)面向的檢測(cè)對(duì)象主要是工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（420mA/020mA/010mA）和電壓信號(hào)（05V/010V/±5V/±10V）。首先，電流、電壓信號(hào)通過多路開關(guān)選擇相應(yīng)通道，進(jìn)入信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC可以接受同時(shí)又能有效利用ADC輸入范圍的電壓信號(hào)。調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)原模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換。并通過單片機(jī)I/O口存儲(chǔ)到其內(nèi)部相應(yīng)RAM區(qū)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的軟件濾波設(shè)計(jì)。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(shí)，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(cè)電路設(shè)計(jì)

　　由于該系統(tǒng)對(duì)于電壓、電流檢測(cè)所要求的精度較高，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)并沒有采用PIC18F258內(nèi)置的10bitADC,而是采用美國(guó)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(shí)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(jì)中，如何實(shí)現(xiàn)多種電壓、電流信號(hào)檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)之一。

2.1.1電流檢測(cè)原理

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

圖3 420mA電流檢測(cè)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(cè)電阻

　　ILOAD---檢測(cè)電流

　　RG1---增益電阻

　　ROUT---OUT腳輸出電阻

　　由于電流檢測(cè)電路是把輸入的小信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)。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(duì)該信號(hào)進(jìn)行了相應(yīng)的減法運(yùn)算，從而得到05V.對(duì)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(cè)原理。電壓信號(hào)的處理主要是采用電阻分壓的方法。通過對(duì)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(cè)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(duì)應(yīng)的INA、INB、INC輸入方法如表1所示。