基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程一般都是連續(xù)或成批的工作，故需要嚴格的過程控制和安全措施。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行實時采集，并對數(shù)據(jù)進行處理，從而實現(xiàn)提供生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和動態(tài)監(jiān)控等功能。在整個生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)揮著非常重要的作用。為此，本文給出了一種數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計方法，本設(shè)計采用CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線，具有智能程度高、傳輸效率高、實時性強、適用面廣等特點。

1 CAN總線簡介

CAN(Controller Area Network)為局域網(wǎng)控制總線，符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。CAN總線最初是由德國的BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)設(shè)計的，屬于總線式通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線規(guī)范了任意兩個CAN節(jié)點之間的兼容性，包括電氣特性及數(shù)據(jù)解釋協(xié)議。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層用于決定實際位傳送過程中的電氣特性。在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層功能則包括幀組織形式、總線仲裁和檢錯、錯誤報告及處理、對要發(fā)送信息的確認以及確認接收信息并為應(yīng)用層提供接口等。

其主要特點是：

(1) 能夠以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點均可成為主節(jié)點，并可向其它節(jié)點傳送信息；

(2) 非破壞性總線仲裁和錯誤界定，總線沖突的解決和出錯界定可由控制器自動完成，且能區(qū)分暫時和永久性故障并自動關(guān)閉故障節(jié)點；

(3) CAN節(jié)點可被設(shè)定為不同的發(fā)送優(yōu)先級。以滿足不同的實時要求；

(4) 采用差分驅(qū)動，可在高噪聲干擾環(huán)境下使用；

(5) 通信距離可達lO km(5Kbps)，速率可達1Mbps(40m以內(nèi))。

2 數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)原理

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集器綜合考慮了各種現(xiàn)場需求以及線路的優(yōu)化等因素。設(shè)計時選用了專用元器件，以盡量簡化電路，提高電路的可靠性。該數(shù)據(jù)采集器電路有4路模擬量差分輸入(信號范圍為0～10 V)和2路輸出；開關(guān)量則是四路輸入和四路輸出，并有1個CAN總線通信口；CAN通信采用CANOPEN協(xié)議方式。

本數(shù)據(jù)采集器采用單片微機C8051F005作為控制核心，與CAN控制器SJA1000、CAN驅(qū)動器82C250及兩片TLP521-4等器件共同組成具有模擬／數(shù)字量輸入輸出的接口電路。將C8051F005的P1口的全部口線同兩片TLP521-4的輸入或輸出連接，以作為開關(guān)量的數(shù)據(jù)接口；P0的全部口線則作為與CAN控制器SA1000接口的地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線；P2口的部分口線用于對CAN控制器SJA1000的控制。該數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 模擬量采集模塊的設(shè)計

模擬量的采集是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，為了提高數(shù)據(jù)采集的精度和抗干擾性，模擬量采集模塊采用差分形式。其中4路模擬量輸入通過模擬多路開關(guān)進行分時切換。本系統(tǒng)選用高速模擬多路開關(guān)DG529，并共用一個前置電路數(shù)據(jù)送入C8051F005的A／D轉(zhuǎn)化器進行轉(zhuǎn)換，這種方案可以大大簡化電路結(jié)構(gòu)，提高效率。具體的前置電路如圖2所示。

該前置電路采取浮動差分形式來提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。先將DG529切換過來的信號送到AD620進行阻抗匹配，之后采用高精度運放OP07并疊加一個1.2 V的電平到信號中間，使之形成浮動差分形式，再經(jīng)過R7～R10的電阻網(wǎng)絡(luò)衰減以及運放LM258的緩沖，送到C8051F005的AIN0、AIN1進行相差之后，進行A／D轉(zhuǎn)換。二極管D1～D4可保護單片機的口線。

模擬量的輸出則直接用C8051F005的DAC轉(zhuǎn)換器再經(jīng)運放放大來實現(xiàn)。

2.2 開關(guān)量采集模塊的設(shè)計

開關(guān)量的輸入采用光耦進行光電隔離，以隔

斷前后通道的電磁聯(lián)系，提高抗干擾能力，同時把輸入的開關(guān)量轉(zhuǎn)化為C8051F005的3.3 V的電平標(biāo)準(zhǔn)。開關(guān)量的輸出同輸入一樣仍然采用光電隔離。具體電路如圖3所示。