CAN總線智能信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

羅 偉 朱若寒

（1.95890部隊(duì)政治處 武漢 430030）（2.國防信息學(xué)院 武漢 430030）

1 引言

隨著現(xiàn)代軍事戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜嚴(yán)酷，對(duì)軍用裝備的可靠性要求愈加嚴(yán)格。為提高測控系統(tǒng)的可靠性，許多軍用測控裝備常常需要對(duì)現(xiàn)場采集的各類信號(hào)采取抗干擾處理措施，并進(jìn)行數(shù)字化傳輸［1～3］。本文針對(duì)某艦用監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備多、分布范圍廣、信號(hào)傳輸實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，通過智能信號(hào)采集模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的多路信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由一個(gè)上位機(jī)及多個(gè)智能信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)組成，所有智能節(jié)點(diǎn)通過CAN總線與上位機(jī)相連，對(duì)監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息采集。盡管CAN總線具備一定的抗干擾能力［4～6］，但由于艦船環(huán)境極為惡劣且維護(hù)保障困難，因此必須對(duì)總線采取冗余設(shè)計(jì)［7～8］。如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

節(jié)點(diǎn)通過以80C51F單片機(jī)為控制核心，采用TJA1050作為CAN總線接口部件。將4路4～20mA傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，得到以符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器件工作范圍的電壓信號(hào)。經(jīng)調(diào)理的模擬量送入單片機(jī)IO引腳。單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析、處理，并協(xié)調(diào)與外部節(jié)點(diǎn)的通訊。

3.1 信號(hào)調(diào)理模塊

AD采集的信號(hào)來自于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。設(shè)計(jì)輸入電阻為200Ω，對(duì)應(yīng)輸入電壓0.8V～4.0V。采用該電壓作為過流報(bào)警的輸入，將該電壓經(jīng)過50%的分壓，連接到單片機(jī)IO引腳作為AD的輸入信號(hào)，電壓范圍是0.4V～2.0V。同時(shí)為了保護(hù)單片機(jī)IO口，在IO口到地跨接2.7V的穩(wěn)壓管。該模塊的電路原理圖如圖2所示。

3.2 過流報(bào)警模塊

采用LM339電壓比較器，比較電壓為4V，正常情況下比較器輸出為低電平，當(dāng)輸入電流經(jīng)過200Ω電阻產(chǎn)生的電壓大于4V時(shí)，比較器輸出端變成高電平。將4路輸入對(duì)應(yīng)的比較器輸出與單片機(jī)IO連接；同時(shí)將這4路比較器輸出通過一個(gè)4或邏輯電路，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，與單片機(jī)INT0連接，用于實(shí)現(xiàn)過流報(bào)警。74LS32為4路2或門，通過級(jí)聯(lián)產(chǎn)生4或邏輯。該模塊電路原理圖如圖3（a）和圖3（b）所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理模塊原理圖

圖3（a） 過流報(bào)警模塊（電壓比較電路）

圖3（b） 過流報(bào)警模塊（過流中斷電路）

3.3 CAN通訊模塊

采用兩個(gè)以CAN接口芯片TJA1050為中心的帶冗余CAN物理接口的典型的CAN保護(hù)電路設(shè)計(jì)。可通過單片機(jī)IO經(jīng)過多路開關(guān)選擇默認(rèn)線路還是冗余線路，利用軟件判斷并控制切換時(shí)機(jī)。該模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 CAN通訊模塊原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)采集

通過分時(shí)復(fù)用，采集4路12bit的AD數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。用默認(rèn)的參考電壓2.25V，設(shè)定增益為1。為進(jìn)一步提高精度，在軟件設(shè)計(jì)中采用滑動(dòng)平均濾波進(jìn)行信號(hào)抗干擾處理。

4.2 CAN通訊

通訊協(xié)議采用CAN2.0A規(guī)范，其消息ID為11位［9～10］。根據(jù)系統(tǒng)需求，采用2組消息對(duì)象進(jìn)行通訊：

1）命令幀：

該過程由上位機(jī)發(fā)起，向指定智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，包括控制設(shè)備IO狀態(tài)、請(qǐng)求AD數(shù)據(jù)等。所有命令統(tǒng)一數(shù)據(jù)域長度為4字節(jié)，首字節(jié)為命令字，第2字節(jié)為命令碼，其他字節(jié)保留，并用0填充。幀格式如圖5所示。

圖5 命令幀格式

其中命令字定義為：0x0F—控制設(shè)備IO；0x02—查詢IO狀態(tài)；0x04—查詢AD數(shù)據(jù)。

當(dāng)命令字為0x0F時(shí)，命令碼有效，代表控制的IO通道編號(hào)；當(dāng)命令字不為0x0F時(shí)，命令碼無效，填充為0。

2）數(shù)據(jù)幀：

智能節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)命令幀后，根據(jù)命令字向上位機(jī)發(fā)送采樣數(shù)據(jù)或當(dāng)前IO狀態(tài)。由于每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)有2路AD通道，每路通道12位。將數(shù)據(jù)域長度設(shè)為4個(gè)字節(jié)。對(duì)于發(fā)送AD數(shù)據(jù)，前兩字節(jié)DA1為通道0采樣并換算所得電流值；后兩字節(jié)DA2為通道1采樣并換算所得電流值數(shù)值。0表示該通道出現(xiàn)斷線故障。發(fā)送AD數(shù)據(jù)的幀格式見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)幀格式—AD數(shù)據(jù)

對(duì)于發(fā)送IO狀態(tài)數(shù)據(jù)，前兩個(gè)字節(jié)為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前ID號(hào)，第3字節(jié)為IO狀態(tài)信息，第4字節(jié)保留，并以0填充。幀格式見圖7。

發(fā)送IO通道狀態(tài)的幀格式。

圖7 數(shù)據(jù)幀格式—IO狀態(tài)數(shù)據(jù)

4.3 任務(wù)調(diào)度

智能節(jié)點(diǎn)指標(biāo)要求AD采樣率達(dá)到100KHz，為保證實(shí)時(shí)性，需要在10us時(shí)間內(nèi)，完成一次數(shù)據(jù)的采集與處理過程。期間的關(guān)鍵時(shí)間為CAN數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間以及AD數(shù)據(jù)處理時(shí)間。

CAN數(shù)據(jù)收發(fā)主要處理收發(fā)成功或出錯(cuò)時(shí)中斷子程序的寄存器配置；當(dāng)出錯(cuò)中斷程序發(fā)現(xiàn)在最近10秒內(nèi)始終無法與上位機(jī)建立正常通訊連接，自動(dòng)將通訊鏈路切換到備份通道。

AD采樣完成信號(hào)連接為外部中斷，其處理過程是對(duì)AD數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，以獲得需求規(guī)定范圍內(nèi)的線性度。

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于CAN總線結(jié)構(gòu)的智能信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。艦船監(jiān)控系統(tǒng)可通過分布在艙室內(nèi)的各智能節(jié)點(diǎn)模塊，完成對(duì)艦船設(shè)備的全面監(jiān)控與有效管理。同時(shí)，采用雙CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

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