一種基于CAN總線的高精度角度變送器

韓彬

摘 要： 針對工業控制系統中對角度位置量高精度、實時性強的測量需求，提出了一種基于CAN總線的高精度角度變送器的設計與實現。以C8051F504型單片機作為處理核心，重點闡述了旋轉變壓器?數字轉換系統模型的構建，并確定了校正參數；利用單片機內部集成的CAN控制器，設計了CAN總線接口電路，詳細介紹了器件選型和電路設計的創新點。測試結果表明，設計的角度變送器精度指標高達1.7′，可靠性和實時性強，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞： 角度變送器； CAN總線； C8051F504； 旋轉變壓器?數字轉換

中圖分類號： TN98?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0103?04

Abstract： According to the requirement of high?precision and critical real?time angle measurement in industry control system， a high?precision angle converter based on CAN?bus is proposed， Construction of resolver?to?digital conversion system model is expatiated， which takes C8051F504 MCU as processing core， The emendation parameter was confirmed， CAN?bus interface circuit was designed by making use of CAN controller integrated in MCU， The component selection and circuit innovation are introduced in detail， The testing results show that the accuracy of the angle converter is up to 1，7 arc minutes， and it has strong reliability and real?time performance， Therefore， it has extensive application prospect，

Keywords： angle converter； CAN?bus； C8051F504； resolver?to?digital conversion

0 引 言

現場總線CAN?bus作為工業現場總線中非常重要的一員，憑借其可靠、實用、靈活、經濟的特點，目前已在自動化、轎車、工程車輛、機車、船舶等諸多行業廣泛應用[1]。在工業控制伺服設備中，實現角度位置量的高精度實時測量和控制是其關鍵性的技術。角度變送器是一種角度量?數字轉換器，其功能是將旋轉變壓器或自整角機的模擬信號轉換為數字信號，與普通的A/D編碼相比，軸角編碼采用正、余信號進行編碼，抗干擾能力強且轉換速度快[2]。

為了適應工業控制系統的發展需求，本文提出了一種高精度的CAN總線角度變送器，與傳統的RS 485總線產品相比，具有完善的通信協議，數據通信實時性強[3?4]，并且容易構成冗余結構，提高了系統的可靠性和系統的靈活性。

1 總體設計

1.1 系統組成

角度變送器用于檢測旋轉變壓器角度位置量及旋轉圈數。具備CAN通信接口，能夠接收上級控制設備查詢指令，向上級控制設備發送監測到的信息（包括角度和圈數）及故障信息。主要由旋轉變壓器?數字轉換電路、電源電路、單片機和CAN接口轉換電路組成。整個系統組成如圖1所示。

1.2 芯片選型

單片機選用Silabs公司的C8051F504型MCU，具有高速、流水線結構的8051兼容的微控制器核，主要特性如下：全速、非侵入式的在系統In?system調試接口；集成CAN控制器，兼容CAN2，0A和CAN2，0B協議； LIN2，1外圍設備（完全向后兼容，主從模式）；12位200 KSPS的32通道ADC，帶模擬多路器；高精度可編程的24 MHz內部振蕩器，全溫度范圍內精度指標可達0.5%；32 KB的片內FLASH存儲器；4個通用的16位定時器；片內上電復位，VDD監視器和溫度傳感器[5]。

2 高精度旋轉變壓器?數字轉換的設計

2.1 系統模型

旋轉變壓器?數字轉換電路的設計指標為16位，靜態角精度達2.4′。通過設計電路實現輸入模擬軸角信號θ與要實現的數字軸角信號β進行求差運算得到[sin（θ-β）]當在要求的精度范圍內[sin（θ-β）≈0]則認為數字角度β與模擬角度θ相等[6]，從而通過反饋逼近的方法[7]實現了高精度的軸角?數字的轉換。由自動控制原理可以知道要實現系統在動態跟蹤目標的時候保證最高的跟蹤精度，總體的電路系統應該是個二型伺服回路系統，在輸入為階躍信號、勻速轉動信號時的穩態誤差為零[8]，初步建模見圖2。

根據勞斯穩定判據可得：特征方程式缺項，控制系統不穩定。因此，下一步的設計關鍵是：如何在積分環節中加入適當的校正元件，不影響系統的類型數，又能保證閉環系統的穩定性。采用帶慣性的PD控制器作為校正環節提高系統的動態性能指標，加入校正環節后的控制系統的模型如圖3所示。

從圖4可以看出，當a值較小時，最大超前相移很小，校正作用不大；當a的取值介于5和20之間時，超前相移增加很快，超前校正作用顯著；當a值大于20時，相移隨a值增加的變化很小。因此，校正參數采用[5≤a≤20]。則有[5≤T1T2≤20]。

3 CAN總線電路設計

3.1 電路原理圖

典型的CAN總線電路包含CAN控制器和收發器。本文設計的電路包括CAN控制器、隔離電路、收發器和保護電路。電路原理圖如圖5所示。CAN控制器集成在單片機C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B協議，同時支持11位和29位識別碼，位速率可達1 Mb/s。CAN總線收發器選用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 標準，高速率（適合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范圍），低電磁輻射EME，具帶有寬輸入范圍的差動接收器可抗電磁干擾EMI，沒有上電的節點不會對總線造成干擾，發送數據TXD 控制超時功能，發送器不使能時工作在靜音模式，在暫態時自動對總線引腳進行保護，輸入級與3.3 V器件兼容，熱保護，對電源和地的防短路功能，可以連接至少110 個節點[9]。

3.2 設計要點

（1） 隔離電路。為了增強變送器在CAN總線中的抗干擾能力，單片機CAN端口CRX和CTX沒有直接連接到TJA1050的RXD和TXD引腳上，而是在中間增加了電源隔離和信號隔離電路，通過高速磁隔離芯片ADUM1201將單片機CAN接口與收發器TJA1050連接起來，從而實現了總線上各個節點之間的電氣隔離。

（2） 保護電路。在收發器與CAN總線連接部分，設計了保護電路，圖5中ZJYS80為共軛電感與C22和C23一起構成LC濾波器，用于提高變送器防電磁干擾能力，電容器C22，C23濾除總線上的高頻干擾[10]，共軛電感ZJYS80扼制共模干擾電流，避免電感在流過較大電流時發生飽和。CAN總線串聯的電阻R3，R4，限制CAN總線中電流，防止CAN總線接口器件因過流沖擊而損壞。在CAN總線的輸入端設置了兩個瞬態抑制二極管，出現靜電、雷擊或其他瞬變干擾時，通過瞬態二極管的放電可以起到保護內部電路的作用。

4 軟件設計

單片機軟件用C語言編寫程序流程框圖見圖6，主要實現功能如下：

（1） 定時禁止軸角?數字轉換模塊輸出數據刷新，從數字總線讀取16位數字絕對角度量，并計算圈數。

（2） 從鐵電存儲器處讀取零點角度和圈數，用絕對角度量和圈數減去零點角度和圈數，得到相對的角度量和圈數。

（3） 響應CAN接收中斷，判斷信息指令類型，做出相應的處理，通過CAN接口將信息數據發送出去。

（4） 斷電前往存儲器寫入角度位置和圈數，每次上電時讀取角度位置。

5 測試數據

為了驗證角度變送器性能指標是否滿足設計要求，對主要指標進行了測試驗證。

（1） 角精度。精度設計指標為2.4′，實際測試為1.7′，具體測試數據見表1。

（2） CAN功能。為了驗證CAN總線網絡的可靠性、正確性和靈活性，使用CAN總線分析儀從物理層到數據鏈路層進行了全方位、多層次的測試，測試項目和結果見表2和圖7。

6 結 語

討論基于CAN總線的高精度角度變送器的設計與實現，以C8051F504為核心，實現了旋轉變壓器?數字的高精度轉換，經測試驗證，其性能指標完全滿足設計要求，可廣泛應用于高精度的工業控制系統，具有很高的實用價值。

參考文獻

[1] [德] ZELTWANGER Holger.現場總線CANopen設計與應用[M].周立功，黃曉清，嚴寒亮，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2] 吳衛國，陳大科.一種采用PCI軟核的軸角數據采集系統[J].現代電子技術，2013，36（9）：109?111.

[3] 楊春杰.CAN總線技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 鄧婕.CAN總線通信原理分析[J].電子設計工程，2012（7）：23?25.

[5] Silicon Labs， C8051F50x?F51x [M]. Texas： Silicon Labs， 2011，

[6] 魯迎春，陳凌濤.高精度自整角機軸角測量系統設計[J].微電機，2011（4）：47?49.

[7] 徐大林，李云飛.一種高精度全數字跟蹤型軸角?數字轉換系統[J].微電機，2009，42（1）：32?35.

[8] 李云飛，夏偉.一種高精度、多通道的角度位置指示器[J].電子測量技術，2011，34（1）：18?21.

[9] Philips Semiconductors. TJA1050 high speed CAN transceiver [R/OL]， [2003?10?22]. http：//www，semiconductors，philips，com.

[10] 楊晶.CAN總線接口電路設計[J].辦公自動化，2010（2）：34?36.

3 CAN總線電路設計

3.1 電路原理圖

典型的CAN總線電路包含CAN控制器和收發器。本文設計的電路包括CAN控制器、隔離電路、收發器和保護電路。電路原理圖如圖5所示。CAN控制器集成在單片機C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B協議，同時支持11位和29位識別碼，位速率可達1 Mb/s。CAN總線收發器選用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 標準，高速率（適合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范圍），低電磁輻射EME，具帶有寬輸入范圍的差動接收器可抗電磁干擾EMI，沒有上電的節點不會對總線造成干擾，發送數據TXD 控制超時功能，發送器不使能時工作在靜音模式，在暫態時自動對總線引腳進行保護，輸入級與3.3 V器件兼容，熱保護，對電源和地的防短路功能，可以連接至少110 個節點[9]。

3.2 設計要點

（1） 隔離電路。為了增強變送器在CAN總線中的抗干擾能力，單片機CAN端口CRX和CTX沒有直接連接到TJA1050的RXD和TXD引腳上，而是在中間增加了電源隔離和信號隔離電路，通過高速磁隔離芯片ADUM1201將單片機CAN接口與收發器TJA1050連接起來，從而實現了總線上各個節點之間的電氣隔離。

（2） 保護電路。在收發器與CAN總線連接部分，設計了保護電路，圖5中ZJYS80為共軛電感與C22和C23一起構成LC濾波器，用于提高變送器防電磁干擾能力，電容器C22，C23濾除總線上的高頻干擾[10]，共軛電感ZJYS80扼制共模干擾電流，避免電感在流過較大電流時發生飽和。CAN總線串聯的電阻R3，R4，限制CAN總線中電流，防止CAN總線接口器件因過流沖擊而損壞。在CAN總線的輸入端設置了兩個瞬態抑制二極管，出現靜電、雷擊或其他瞬變干擾時，通過瞬態二極管的放電可以起到保護內部電路的作用。

4 軟件設計

單片機軟件用C語言編寫程序流程框圖見圖6，主要實現功能如下：

（1） 定時禁止軸角?數字轉換模塊輸出數據刷新，從數字總線讀取16位數字絕對角度量，并計算圈數。

（2） 從鐵電存儲器處讀取零點角度和圈數，用絕對角度量和圈數減去零點角度和圈數，得到相對的角度量和圈數。

（3） 響應CAN接收中斷，判斷信息指令類型，做出相應的處理，通過CAN接口將信息數據發送出去。

（4） 斷電前往存儲器寫入角度位置和圈數，每次上電時讀取角度位置。

5 測試數據

為了驗證角度變送器性能指標是否滿足設計要求，對主要指標進行了測試驗證。

（1） 角精度。精度設計指標為2.4′，實際測試為1.7′，具體測試數據見表1。

（2） CAN功能。為了驗證CAN總線網絡的可靠性、正確性和靈活性，使用CAN總線分析儀從物理層到數據鏈路層進行了全方位、多層次的測試，測試項目和結果見表2和圖7。

6 結 語

討論基于CAN總線的高精度角度變送器的設計與實現，以C8051F504為核心，實現了旋轉變壓器?數字的高精度轉換，經測試驗證，其性能指標完全滿足設計要求，可廣泛應用于高精度的工業控制系統，具有很高的實用價值。

參考文獻

[1] [德] ZELTWANGER Holger.現場總線CANopen設計與應用[M].周立功，黃曉清，嚴寒亮，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2] 吳衛國，陳大科.一種采用PCI軟核的軸角數據采集系統[J].現代電子技術，2013，36（9）：109?111.

[3] 楊春杰.CAN總線技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 鄧婕.CAN總線通信原理分析[J].電子設計工程，2012（7）：23?25.

[5] Silicon Labs， C8051F50x?F51x [M]. Texas： Silicon Labs， 2011，

[6] 魯迎春，陳凌濤.高精度自整角機軸角測量系統設計[J].微電機，2011（4）：47?49.

[7] 徐大林，李云飛.一種高精度全數字跟蹤型軸角?數字轉換系統[J].微電機，2009，42（1）：32?35.

[8] 李云飛，夏偉.一種高精度、多通道的角度位置指示器[J].電子測量技術，2011，34（1）：18?21.

[9] Philips Semiconductors. TJA1050 high speed CAN transceiver [R/OL]， [2003?10?22]. http：//www，semiconductors，philips，com.

[10] 楊晶.CAN總線接口電路設計[J].辦公自動化，2010（2）：34?36.

3 CAN總線電路設計

3.1 電路原理圖

典型的CAN總線電路包含CAN控制器和收發器。本文設計的電路包括CAN控制器、隔離電路、收發器和保護電路。電路原理圖如圖5所示。CAN控制器集成在單片機C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B協議，同時支持11位和29位識別碼，位速率可達1 Mb/s。CAN總線收發器選用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 標準，高速率（適合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范圍），低電磁輻射EME，具帶有寬輸入范圍的差動接收器可抗電磁干擾EMI，沒有上電的節點不會對總線造成干擾，發送數據TXD 控制超時功能，發送器不使能時工作在靜音模式，在暫態時自動對總線引腳進行保護，輸入級與3.3 V器件兼容，熱保護，對電源和地的防短路功能，可以連接至少110 個節點[9]。

3.2 設計要點

（1） 隔離電路。為了增強變送器在CAN總線中的抗干擾能力，單片機CAN端口CRX和CTX沒有直接連接到TJA1050的RXD和TXD引腳上，而是在中間增加了電源隔離和信號隔離電路，通過高速磁隔離芯片ADUM1201將單片機CAN接口與收發器TJA1050連接起來，從而實現了總線上各個節點之間的電氣隔離。

（2） 保護電路。在收發器與CAN總線連接部分，設計了保護電路，圖5中ZJYS80為共軛電感與C22和C23一起構成LC濾波器，用于提高變送器防電磁干擾能力，電容器C22，C23濾除總線上的高頻干擾[10]，共軛電感ZJYS80扼制共模干擾電流，避免電感在流過較大電流時發生飽和。CAN總線串聯的電阻R3，R4，限制CAN總線中電流，防止CAN總線接口器件因過流沖擊而損壞。在CAN總線的輸入端設置了兩個瞬態抑制二極管，出現靜電、雷擊或其他瞬變干擾時，通過瞬態二極管的放電可以起到保護內部電路的作用。

4 軟件設計

單片機軟件用C語言編寫程序流程框圖見圖6，主要實現功能如下：

（1） 定時禁止軸角?數字轉換模塊輸出數據刷新，從數字總線讀取16位數字絕對角度量，并計算圈數。

（2） 從鐵電存儲器處讀取零點角度和圈數，用絕對角度量和圈數減去零點角度和圈數，得到相對的角度量和圈數。

（3） 響應CAN接收中斷，判斷信息指令類型，做出相應的處理，通過CAN接口將信息數據發送出去。

（4） 斷電前往存儲器寫入角度位置和圈數，每次上電時讀取角度位置。

5 測試數據

為了驗證角度變送器性能指標是否滿足設計要求，對主要指標進行了測試驗證。

（1） 角精度。精度設計指標為2.4′，實際測試為1.7′，具體測試數據見表1。

（2） CAN功能。為了驗證CAN總線網絡的可靠性、正確性和靈活性，使用CAN總線分析儀從物理層到數據鏈路層進行了全方位、多層次的測試，測試項目和結果見表2和圖7。

6 結 語

討論基于CAN總線的高精度角度變送器的設計與實現，以C8051F504為核心，實現了旋轉變壓器?數字的高精度轉換，經測試驗證，其性能指標完全滿足設計要求，可廣泛應用于高精度的工業控制系統，具有很高的實用價值。

參考文獻

[1] [德] ZELTWANGER Holger.現場總線CANopen設計與應用[M].周立功，黃曉清，嚴寒亮，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2] 吳衛國，陳大科.一種采用PCI軟核的軸角數據采集系統[J].現代電子技術，2013，36（9）：109?111.

[3] 楊春杰.CAN總線技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[4] 鄧婕.CAN總線通信原理分析[J].電子設計工程，2012（7）：23?25.

[5] Silicon Labs， C8051F50x?F51x [M]. Texas： Silicon Labs， 2011，

[6] 魯迎春，陳凌濤.高精度自整角機軸角測量系統設計[J].微電機，2011（4）：47?49.

[7] 徐大林，李云飛.一種高精度全數字跟蹤型軸角?數字轉換系統[J].微電機，2009，42（1）：32?35.

[8] 李云飛，夏偉.一種高精度、多通道的角度位置指示器[J].電子測量技術，2011，34（1）：18?21.

[9] Philips Semiconductors. TJA1050 high speed CAN transceiver [R/OL]， [2003?10?22]. http：//www，semiconductors，philips，com.

[10] 楊晶.CAN總線接口電路設計[J].辦公自動化，2010（2）：34?36.