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

作者: 時(shí)間:2012-10-26 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:介紹了一種技術(shù)在、中的和應(yīng)用。給出了的整體結(jié)構(gòu),闡述了、的測(cè)量原理,論述了的硬件組成和軟件方法,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。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/176055.htm

  0.引言

  現(xiàn)場(chǎng)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)技術(shù)中,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。本文介紹的是一種總線的智能變送系統(tǒng)。控制器局域網(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(kāi)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,CAN總線的、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)

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(guò)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(guò)插槽中的CAN2PC總線適配卡與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(méi)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

  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(guò)多路開(kāi)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換,對(duì)原模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換。并通過(guò)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。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

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(méi)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(guò)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

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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)輸入端子進(jìn)行不同的輸入,使得經(jīng)過(guò)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。

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