基于ＤＳＰ和ＣＡＮ總線的工業生產中數據通信節點設計

摘要:針對現場總線的實時性要求，提出了一種基于DSP芯片TMS320LF2407A的CAN 總線通信技術方案，設計了基于這種控制器的CAN網絡節點的硬件。在工業生產中，高效，快速，準確采集現場參數是一個非常關鍵的問題，而且生產現場電磁環境復雜，干擾嚴重。同時，針對工業生產中所產生的這個問題，給出了一種使用內嵌CAN 控制器的數字信號處理器TMS320LF2407A與A/D轉換芯片ADS7864構成的數據采集系統方案。該方案硬件系統結構簡單，性能可靠。詳細敘述了系統的結構和軟硬件設計，并且給出采用CAN總線技術與上位機通信的方案。

關鍵詞:DSP;TMS320LF2407A;CAN;ADS7864;節點

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6828-02

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網， 是一種多主方式的串行數控通信總線， 具有實時性、高可靠性和靈活性等優點， 現已廣泛應用到汽車工業、航空工業、工業控制、自動控制、智能大廈、電力系統、安全防護等各個自動化控制領域，成為國際上應用最廣泛的現場總線之一。

數字信號處理器(DSP) 是一種運算速度快、數值處理能力強的微型處理器，目前已經在通訊、圖像處理、工業控制等領域得到廣泛應用，CAN總線是一種通信速率高、抗干擾能力強、使用成本低的現場總線，已廣泛應用于控制系統中的檢測和執行機構之間的數據通信。他特別適用于系統分布比較分散、實時性要求高、現場環境干擾大的場合。

該文將TMS320L F2407A芯片和CAN總線等技術應用于系統的數據采集中，基于對轉換時間和轉換精度的考慮，本系統還采用了ADS7864 作為模數轉換芯片。ADS7864是TI公司推出的專為高速同步數據采集系統設計的高速6通道同步采樣、12位的模/ 數轉換芯片。將ADS7864與TMS320L F2407A DSP 芯片構成數據采集部分，是一個較好的數據采集方案。該系統可以快捷地實現對生產過程中的電壓、電流、功率、功率因數和頻率等重要的參數進行實時檢測、處理和傳輸。

1 DSP技術在通信工程上的應用

DSP技術已勇于信息技術領域，尤其在通信領域獲得廣泛應用。在通信與網絡設備方面產品有呼叫處理系統、語音信箱系統、音頻/語音處理系統、高速調制/解調器、衛星調制解調器、遠程訪問服務器、分享式調制解調器、多信道調制解調器、綜合業務數字網、遠程訪問集線器、網絡計算機系統、語音識別與合成系統等。

目前DSP技術正朝著進一步提高速度、降低功耗及縮小體積等方面發展。DSP器件已能在3.3V工作電壓下達到執行一條指令只需幾十納秒的運行速度。這種高速工作的低功耗DSP特別適用于數字式便攜電話。目前一般的處理能力為100MIPS，而內含有多個DSP的多處理型和采用VLIW結構的DSP， 其處理能力已達到1600MIPS。這可使Internet上的用戶將原需10分鐘下載的文件縮短為不到5秒種。

當前DSP市場有從廉價型到超高性能各類品種， 引人注目的是這些產品均以通信和多媒體應用為中心。美國德州儀器公司提出“DSP解決方案”。其含義是不僅提供分立的DSP產品也提供綜合解決方案， 包括不可缺少的混合信號存儲器、ASIC乃至系統軟件。其背景在于支撐數字聯網多媒體。

隨著計算機技術、通信技術和電子技術的迅猛發展，工業生產自動化程度也日益提高，通過現場總線技術和數字信號處理技術的應用提高了系統的可靠性和可維護性。基于DSP的CAN總線通信系統在工業生產控制中起著越來越重要的作用。

2 系統硬件電路設計

2.1 TMS320L F2407A 的主要特點

美國德州儀器公司生產的TMS320LF2407A芯片將實時信號處理能力和控制器外設功能集于一身，特別適合于工業控制應用。內核采用哈佛結構，運算速度塊，最高可達40MIPS的執行速度。具有豐富的通用輸入/ 輸出引腳。該芯片供電電壓為3.3V，降低了控制器的功耗;還提供了符合CAN2.0B規范要求的CAN通信模塊;一個16位的同步串行外圍接口和串行通信接口模塊;具有低成本、低功耗、高速運算能力和高性能處理能力等優點，因此該DSP芯片可以滿足此系統要求。

2.2 最小系統節點設計

TMS320LF2407A的CAN控制器模塊是一個完全的CAN控制器，該控制器是TMS320LF2407A的一個16位外設模塊，它完全符合CAN總線的CAN210B技術規范，只需要一個CAN 驅動芯片PCA82C250，就可以很容易地使DSP芯片接入CAN總線。

圖為n(最大為110)個節點控制器在CAN總線上的連接情況，構成了CAN 總線控制的局域網，如圖1所示。

PCA82C50是CAN協議控制器和物理總線間的接口，它是Philip s Semiconductors公司專門為汽車中高速通訊(高達1Mbps)應用而設計的。此器件對總線提供差動發送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，實際上擔負著節點邏輯電平和CAN總線差動電平之間的電平轉換任務。

在本設計方案中采用了CAN總線技術。該總線技術具有獨特的機制，其主要有以下幾個優點:網絡節點不分主動主從;采用非破壞總線仲裁，支持競爭;傳輸距離遠，通信速度較高，組網靈活;其報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾小，具有自己的協議等，所以現場總線CAN 以其自身的優點有效支持分布式控制系統或成為實時控制的串行通信網絡。考慮到CAN總線數據傳輸的高速率和抗干擾性，CAN通信方案做了如下幾方面設計:DSP的CANRX和CAN TX先通過74LVC04A進行3.3V與5V的電平匹配，然后再通過高速光隔TL P113與TJA1050連接，實現了總線的電氣隔離;采用了TJA1050作為驅動器代替以往的PC82C250，TJA1050的優點是完全符合ISO11898標準;高速率最高達1Mbit/s;電磁抗干擾性能好;不上電的節點不會對總線造成擾動;輸出驅動器受到溫度保護;至少可以連接110個節點。數字電源VCC和GND是用小功率隔離模塊DC/DC進行一次隔離后得到的，增加了通信的抗干擾能力。CAN通信接口電路如圖2所示。

2.3 采集模塊電路設計

該部分電路采用ADS7864作為A/ D轉換芯片，ADS7864是一種高速、低功耗、六通道、同時采樣保證無失碼的雙12位A/D轉換器，主要應用于電機控制、三相電源控制等領域。信號調理部分采用互感器對電網信號進行隔離變化，所選用的是電流型互感器，既可測電壓也可測電流，輸入/輸出額定電流6mA/6mA，再采用普通運算放大器LM324構成電流電壓轉換器，運放工作在放大狀態，輸出-5～+ 5V信號。從調理部分得到的雙極性模擬信號經過運算放大器OPA340組成的轉換電路變成0～5V的輸入信號，接入ADS7864的+IN和-IN端子，如圖3所示。

ADS7864使用獨立的8MHz有源時鐘，由5V電源供電。TMS320LF2407A供電電壓是3.3V，而ADS7864供電電壓是5V，所以二者接口需電平轉換，ADS7864的16位數據線經過SN74LVTH16245A電壓轉換芯片再與DSP相連，片選信號CS和讀信號RD分別由2407A的外部I/O空間選通信號Is和讀信號RD經電平匹配模塊引入，它的A/D轉換結束標志信號BUSY同樣須經電平匹配模塊引到2407A的XINT1。ADS7864同時采到6路輸入信號并將它們保存在保持寄存器，然后順序啟動轉換，將轉換的結果分別存放在6個寄存器中，轉換完后發出BUSY中斷信號，DSP響應中斷，順序讀出轉換結果，然后再進行下一次采樣、轉換。

3 系統軟件設計

CAN通信模塊的主程序流程圖如圖4所示，它有多個控制對象，如電傳感器器的控制、開關控制等。 它通過CAN總線發出各種控制指令和數據，總線上的其他節點按照預先的編程獲取自己相應的信息。同時其主程序控制中所需的各種變量參數也主要是通過CAN總線來獲取。

TMS320LF2407A的CAN控制器模塊在有效工作前必須進行初始化。如圖5所示，CAN控制器的位定時器初始化工作只有在配置模式下才能完成，通過編程設置主控制器MCR的CCR位為1，可以設置CAN模塊為配置模式。只有全局寄存器GSR的狀態位CCE置1，確認初始化請求后，才可以進行初始化操作。然后，位定時器BCRn就可以進行寫操作，配置正確的CAN通信波特率、同步跳轉寬度、采樣次數和重同步方式。最后，通過編程將CCR位設置為0后，CAN模塊正常工作模式被激活。在對郵箱初始化之前，必須禁止相應郵箱的使能位，設置每個郵箱對應使能位為0。通過編程設置主控制器MCR中的數據域改變請求位(CDR位)為1，對CAN模塊發出數據域改變請求。然后，配置郵箱的標識符、控制寄存器和數據區。最后，通過編程將主控制器MCR中的數據域改變請求位(CDR位)清0后，進入正常工作模式，再設置相應郵箱的使能位為1。

4 結束語

該文將DSP和CAN總線等技術可應用在工業生產通信系統模擬量采集和測量中，詳細闡述了實際應用中的數據通信節點設計、模數轉換和CAN 接口電路。該系統的數據采集的速度和精度使電壓、電流和功率等基本遙測量的采集、計算、分析更為快捷，CAN 通信符合現場要求，在實際應用中取得良好的效果，也為相關的工業生產控制系統中的電量檢測提供了一定的參考。

參考文獻:

[1] 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2001.

[2] 李正軍.計算機測控系統設計與應用[M].北京:機械工業出版社，2004.

[3] 宋琪.CAN-RS-232接口電路及協議轉換軟件的設計[J].電子工程師，2005(1).

[4] Burr-Brown Corporation，DAC7744，1999.

[5] 廣州周立功單片機發展有限公司.PCI-9820雙路非智能CAN接口卡用戶手冊[S].2004.

[6] 瞿坦.數據通信及網絡基礎[M].武漢:華中理工大學出版社，1995.