基于英飞凌的CAN总线智能测控节点的设计

[align=center]Design Of CAN Bus Intelligent Node based On INFINEON Li Song Hu Yu-lan（Shenyang Ligong University ,Shenyang 110168 ,China） （沈阳理工大学 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110168）[/align]摘 要： 提出了一种基于英飞凌微控制器XC164CS的CAN总线分布式智能测控节点的设计，给出了系统硬件框图、软件流程图、电路原理图，所设计节点实现方法简单，外扩器件少，结构合理，可靠性高，且节点扩展方便，已用于某工业现场，波特率为10Kbps。关键词：CAN总线；XC164CS; 英飞凌微控制器；网络节点；CAN通信中图分类号:TP 文献标识码: AAbstract: Controller Area Network（CAN）is a kind of serial communication network that supports the distributed control, and has characteristics of high capability and high reliability. Put forward design of CAN bus intelligent data collect node which based on INFINEON single-chip XC164CS．Given the system hardware frame diagram、program design、circuit principle drawing, The design was suitable for some industry scene，Band Rate equation 10 kbps． Keywords: CAN Bus；INFINEON；XC164-8F20 Micro-Controller; Network Node；CAN Communication 在工业现场，如何将采集到的数据及时安全地传送给数据监控与处理系统是工业控制系统首要解决的一个实际问题．对于这一实际问题通常采用现场总线技术，控制器局域网（CAN）属于总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络．CAN 总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性．由于CAN本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域发展，CAN总线已成为工业采集领域中首选的现场总线之一。1 CAN总线系统的组成模式1.1 CAN总线特点（1）CAN采用多主方式工作，不分主从。（2）CAN采用非破坏总线仲裁技术，大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况。（3）在速率5kpbs以下时，CAN的直接通信距离最远可达10km；在通信距离为 40m 以下时，CAN的通信速率最高可达1mbps；CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。（4）CAN总线数据段长度最多为8个字节，因此可保证很短的传输时间，而且实时性强，受干扰的概率低，CAN的每帧信息都有CRC校验，具有极好的检错效果，能够满足工业领域中对一个工作点的控制命令或数据采集的要求。（5）CAN总线节点在严重错误的情况下，可自动切断与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。1.2 CAN总线系统的组成模式 CAN总线技术的控制系统一般采用总线式网络拓扑结构，其组成模式如图１所示．主要由监控站和若干智能测控节点构成，上位监控站选用ＰＣ机，它是整个系统的中心，可实现强大的监控、管理功能。CAN通信卡通过串口与ＰＣ机通讯，承担上位机和 ＣＡＮ 节点之间的数据转发任务。[align=center]图 １ ＣＡＮ总线系统结构框图[/align]２ 基于英飞凌的CAN总线智能测控节点硬件设计２.1 英飞凌XC164CS的特点 性价比高是CAN总线智能测控节点设计力求的设计目标，所以在选用作为核心器件的控制器时选用片内资源丰富的英飞凌XC164CS，XC164CS具有令人印象深刻的DSP性能和先进的中断处理，加上一种集成高效的外设集成高性能在片FLASH或 ROM存储器，这些使得XC164CS成为工业和汽车应用设备的理想选择。其灵活的智能PWM单元简化了AC, DC或阻抗马达的控制。高速、高分辨ADC处理复杂的模拟环境的快速和精确转换。网络化的方案完全可以采用高效的通信接口来解决，如具有自动网关功能的高速TwinCAN模块。2.2 基于英飞凌的CAN总线智能测控节点的硬件结构 CAN总线测控节点主要任务为数据采集、处理与CAN通信，其硬件结构框图如2所 示．设计中，上位机通过CAN总线适配卡可与多个CAN总线智能数据测控节点进行信息交换．CAN 总线智能测控节点把采集到的现场信号，经过预处理后，进入MCU处理，由CAN收发器经由总线与上位机进行 CAN 协议的数据交换，上位机对检测到的现场信号进一步分析、处理或存储，完成系统的在线检测、计算机分析，处理完毕后，将数字量结果重新转换为相应的模拟量，用于驱动显示仪表、记录设备和反馈控制系统，去执行相应的操作。[align=center]图２ CAN总线测控节点的硬件结构框图[/align]３ 基于英飞凌的CAN总线智能测控节点软件设计 软件所实现的功能主要包括：采集数据的误差校正、标度换算、系统自身的调零、校准，系统的故障检测、CAN协议转换、CAN通讯等，软件流程如图3所示。 ①上电初始化：包括A/D初始化，CAN控制器初始化，定时器初始化，中断优先级设置等。 ②标度换算：每一个数字量都和不同的物理量相对应，标度换算就是把数字量变成物理量的过程，经过换算的物理量是符合上、下位机通信协议的数字量。 ③数字调零；数字调零手段主要是为了消除模拟开关、放大电路以及 A/D转换器本身的偏差，削弱各种随时间和温度变化的漂移的影响 。 ④非线性补偿：输入的数字量与对应的物理量呈非线性关系，对输入的数字量进行线性化处理 ，本设计采用的线性差值法。 ⑤数字滤波：数字滤波是通过简单的计算或者判断程序，对采样信号进行平滑处理，分离出有用的信号，消除或减少各种干扰和噪声。本案将使用程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、加权平均滤波法等 。 ⑥温度补偿：测试点的环境温度将直接影响测量，需要对测量结果进行温度补偿，首先要测出测量点的温度，该温度信号作为多路采样开关采集信号的一路送入单片机。测温元件的输出经放大及A／D转换送到单片机，单片机通过并行接口接收温度数据，并暂存温度数据。信号采样结束，单片机运行温度误差补偿程序，对输入信号进行温度补偿 ⑦系统自检：上电初始化后即进行系统自检，包括CPU自检，外部存储单元的自检等。 ⑧故障诊断：故障诊断将采用以下四种方法进行力所能及的故障诊断，有以下四种方法： a．值域判定法b．时域判定法c．功能判定法d．逻辑判定法。[align=center]图３ 软件流程图[/align]4 设计实例4.1设计实例 在本设计中，测控节点可以采集14路模拟量、8路开关量、2路SPI、2路SCI、5路脉冲量。14路模拟量先经信号调理，转换为 ０～2.5Ｖ的直流电压，再由 １∶１的隔离放大器送XC164的１０位ADC．１０位ADC的工作模式选择与数据转换操作由XC164 的内部寄存器 ADDC 和 ADDR 的编程控制完成。8路开关量由 XC164的 8个GPIO进行输入。5路脉冲量通过鉴相器处理后由CPU计数。SPI和SCI信号直接连接到MCU的SPI和SCI控制器。硬件电路只需要在XC164CS的TD1（CAN1的发送器输出脚）与RD1（CAN1 的接收器输入脚）外接CAN总线驱动器即可．图4中CAN总线驱动器使用的是PCA82C250T，它是连接CAN控制器和物理总线之间的接口。为了进一步提高 CAN 总线节点的抗干扰能力， XC164CS的 TD1 和RD1分别通过高速光耦6N137与PCA82C250T的TXD和RXD 相连．光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离。为了提高网络节点的拓扑能力,CAN总线两端需要接有120Ω的抑制反射的终端电阻。为了减小现场对节点的干扰，采用屏蔽双绞线。本设计中，XC164 既作为主控制器，还作为CAN网络的节点控制器，与网络中的其他节点实现数据传输，设计原理图如图4所示。 A/D转换部分采用的自动扫描连续转换模式，对选中的通道组进行重复转换。每次转换结束后进入中断进行数据读取。 CAN通信开启接收和中断，当接收到主机命令的时候，进入接收中断，发送被选择的报文对象。当发送错误时进入发送中断，进行重发相关的报文对象。 通用定时器模块启用鉴相器模式。通过JTAG接口在线程序下载、调试。[align=center]图4 设计原理图[/align]4.2 试验结果 在实际应用中，设有８个CAN总线智能测控节点，波特率为10K，通信距离约为２km，每个CAN总线智能测控节点根据制定的协议以大约200ms的时间间隔发送采集的数据，采集了温度、湿度、位置等多个信号，通过软硬件数据处理方法，大大提高了采集数据的精度，总线的负载远低于可允许的范围。根据对上传上位机的数据验证，数据可靠及时。可实现主机的远程控制，对节点系统进行实时检测及故障诊断，进一步提高了在关键环境中使用的可靠性。5 结论 基于英飞凌的CAN总线智能测控节点外围电路少，成本低，接口丰富，可实现输入多种信号，一般无需加额外扩展接口即可满足工业需求。可实现远距离数据通信，抗干扰能力强，在复杂工业环境下，仍然可以保持正常工作。网络节点数目最多可达到128，可以扩大上位机的监控范围。也可实现对电机的实时控制，做到检测和控制一体。基于英飞凌的CAN总线智能测控节点的体积小，可在很多对体积有特殊要求的环境中应用。参考文献：[1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社.1996[2] 饶云涛等.现场总线CAN原理与应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2003.6[3] 胡伟，季晓衡.单片机C程序设计及应用实例.北京:人民邮电出版社.2003.7[4] 杨小平,牛秦洲,周德俭.智能测量系统中的数据处理新方法[J].桂林工学院学报,2003,23（4）:394- 396.[5] 陆利忠.测控系统中采样数据的预处理[J]. 测控技术,2000,19（8）:15-16.辽宁省沈阳市浑南新区沈阳理工大学 电子邮箱：yimianduwu@163.com 电话：13840480140邮编：110168