CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

引言

在工業(yè)控制中，為了保證系統(tǒng)的可靠運行，需要檢測周圍的環(huán)境變量(如溫度、氣壓、濕度等)。通常的做法是將分布在各處的傳感器采集到的信號通過各自的線路連接到監(jiān)控中心，這種方式在有效地完成檢測任務的同時也造成了線路資源的極大浪費。因此，提出了簡化線路布局的要求。CAN(控制器局域網(wǎng))是串行通信協(xié)議，能有效支持高安全等級的分布實時控制，同時在理論上，CAN總線網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點近乎沒有限制?；诖?，本設計將一種基于數(shù)字信號控制器的CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為一個CAN節(jié)點，每一個需要監(jiān)控的區(qū)域放置一個CAN節(jié)點，各個節(jié)點通過CAN總線與監(jiān)控中心實施通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1 硬件構(gòu)成

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：控制部分，包括前端信號的抗混疊濾波器和用于信號采集的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；CAN總線接口電路部分，由MCP2515CAN協(xié)議控制器和MCP2551高速CAN收發(fā)器構(gòu)成。系統(tǒng)接3路信號，TEM、PRE、RH分別為溫度、氣壓、相對濕度。

1．1 控制部分

dsPIC30F3013是Microchip公司生產(chǎn)的傳感器系列數(shù)字信號控制器。該控制器采用16位(數(shù)據(jù))改良的哈佛結(jié)構(gòu)，并帶有增強型指令集，包含對DSP的有力支持。工作速度最高可達30MIPS，內(nèi)部集成10通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換速度為200 ksps。

工控系統(tǒng)中，由于各類噪聲的存在，需要在信號采集端加上抗混疊濾波電路，如圖2所示。

抗混疊使用Sallen Key二階低通濾波器。由于環(huán)境變量均為緩變量，濾波器帶寬設置為30Hz。電路中R1、R2、C1、C2的值確定了抗混疊濾波器的特征頻率f0，同時也保證了在10ksps模數(shù)轉(zhuǎn)換速率下12位的分辨率。為了使在整個通帶范圍內(nèi)信號均能很好地通過，需要調(diào)整SallenKey濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。Q值由式(1)決定：

Sallen Key濾波器的幅頻特性顯示，當品質(zhì)因數(shù)在0．7～0．9之間時，頻率特性達到最佳。本Q值選定為0．8。

使用dsPIC30F3013的12位ADC模塊進行數(shù)據(jù)采集。對3路環(huán)境信號進行循環(huán)掃描，每完成12個采樣／轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生一個中斷。中斷過程中完成4次平均值數(shù)字濾波及相應參數(shù)的格式調(diào)整，然后，通過SPI接口傳送到CAN協(xié)議控制器。

1.2 CAN總線接口電路部分

CAN總線接口電路如圖3所示。

CAN協(xié)議控制器采用Microchip公司生產(chǎn)的MCP2515。MCP2515是帶有SPI接口的獨立CAN控制器，它完全支持CANV2．0B技術(shù)規(guī)范，通信速率為1Mb／s，包括2個接收緩沖器、6個29位驗收濾波寄存器、2個29位驗收屏蔽寄存器、3個具有優(yōu)先級設定及發(fā)送中止的發(fā)送緩沖器、高速SPI接口(10MHz)。

MCP2515與MCU的接口可以靈活配置。可通過引腳(如TXORTS)與MCU的數(shù)字I／O腳直接相連，利用數(shù)字I／O的讀寫功能控制MCP2515的狀態(tài)；也可以直接使用MCP2515的SPI指令集來實現(xiàn)所有的功能。用于控制MCP2515的SPI指令集如表1所列。

dsPIC30F3013通過SPI接口與MCP2515進行通信，dsPIC30F3013的SPI模塊工作在主控模式，MCP2515工作在從動模式。dsPIC30F3013通過調(diào)用SPI指令來訪問MCP2515的內(nèi)部寄存器。

MCP2551是一個可容錯的高速CAN收發(fā)器，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿足24 V電壓要求。它的工作速率可高達1 Mb／s。

2 軟件設計

dsPIC30F3013作為控制核心，它承擔著數(shù)據(jù)采集處理和CAN通信的任務。數(shù)據(jù)采集部分的工作流程如圖4所示。

dsPIC30F3013的12位ADC模塊包含一塊ADCBUFO至ADCBUFF的16字雙口只讀緩沖區(qū)，對ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果進行緩沖。本應用采樣3路信號，并用掃描輸入，經(jīng)過12次ADC轉(zhuǎn)換后，每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)依次寫入ADCBUF0至ADCBUFB。即代號為0、3、6、9的AD-CBUF中存放的是同一個信號的不同時間的采樣值，將這4個緩沖器的結(jié)果相加，然后再右移2位，即可實現(xiàn)該信號的4次平均值數(shù)字濾波。其他兩個信號存放在與之相關的ADCBUF中，處理方法與此相同。

MCP2515的SPI接口支持0，0和1，1運行模式。外部數(shù)據(jù)和命令通過SI引腳傳送到器件中，且數(shù)據(jù)在SCK時鐘信號的上升沿傳送進去，在SCK的下降沿通過SO引腳傳送出去。CS片選引腳設置為低電平后，MCP2515希望收到的第一個字節(jié)是指令／命令字節(jié)，這就要求在調(diào)用一個命令時，要先把CS引腳拉升為高電平然后再降低為低電平。使用裝載TX緩沖器指令，取消了一般寫命令所需的8位地址，只需選擇地址指針設置的6個地址之一，便可快速地將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器。

下面以MCP2515的裝載TX緩沖器為例來說明數(shù)據(jù)的發(fā)送過程。裝載TX緩沖器的時序如圖5所示。本應用有3路信號，每一路信號都要求精確到小數(shù)點后2位，所以經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)格式使用浮點型。一個浮點數(shù)需要占用4字節(jié)，為了使監(jiān)控中心易于管理，用包含4字節(jié)數(shù)據(jù)長度的標準數(shù)據(jù)幀來發(fā)送數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以裝載TX緩沖器0為例說明一次數(shù)據(jù)發(fā)送操作，如圖6所示。

dsPIC30F3013的SPI模塊在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時有8位和16位兩種工作模式可選。MCP2515的SPI指令、內(nèi)部寄存器地址及數(shù)據(jù)都是8位的，所以在初始化SPI模塊時，清零MODE16(SPI1CON10>)，將通信數(shù)據(jù)配置為8位寬度。

結(jié)語

本文介紹了一種以Microchip公司dsPIC30F3013為控制核心，以MCP2515為CAN控制器和以MCP2551作為CAN收發(fā)器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)與傳感器組成一個CAN節(jié)點，有效地改善了工控系統(tǒng)中監(jiān)控部分線路布局范圍廣、布線凌亂、抗干擾能力差的現(xiàn)狀，同時，使整個監(jiān)控系統(tǒng)更易于擴展。實踐證明，這種設計是可靠的、高性能的。只是系統(tǒng)工作在多雷電地區(qū)時，可能會發(fā)生雷擊事故，在后續(xù)設計中會使用高速光電耦合器在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間做隔離。

參考文獻

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