一種基于CAN總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
海洋環(huán)境中，由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)離岸較遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，必須將測(cè)量裝置與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分開，構(gòu)成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式一般有兩種：頻率量傳輸和串行通信。頻率量抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離傳送，但這種遠(yuǎn)程的頻率測(cè)量一般僅適用于幾十赫茲以下的較低頻率范圍。在串行通信中，RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速率慢（通常異步通信速率限制在19.2kbps以下），傳送距離短（一般電纜長(zhǎng)度為15m），不適于用作遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)；RS-449、RS-422及RS-423等通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差；且當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。
CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求傳感器與測(cè)量裝置位于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在岸上或船上，它們之間距離經(jīng)常在幾百米，有時(shí)甚至達(dá)到幾公里。因此，連接導(dǎo)線少，維護(hù)費(fèi)用低就顯得尤為重要。本文中測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)磁場(chǎng)（3分量）、電場(chǎng)（3分量）、傾角參數(shù)（2分量），用CAN來(lái)構(gòu)建遠(yuǎn)程水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用3個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)上述8路傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集與傳送。遠(yuǎn)程水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖如圖1所示。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩部分組成：岸上接收處理部分和水下測(cè)量裝置。為了延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，從岸上來(lái)控制水下測(cè)量體部分電池電源的通斷。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是四芯縱向密封海水電纜，兩路傳輸數(shù)據(jù)，另兩路控制電池電源。
2.1硬件電路設(shè)計(jì)
傳感器采用磁場(chǎng)三分量測(cè)量模塊，電場(chǎng)三分量測(cè)量模塊，傾角2分量測(cè)量模塊。信號(hào)處理電路中將各信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，放大采用兩片LM148四運(yùn)放，濾波器是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的兩個(gè)有源低通濾波二階節(jié)的級(jí)聯(lián)。單片機(jī)系統(tǒng)將電場(chǎng)三分量信號(hào)、磁場(chǎng)三分量信號(hào)和兩個(gè)姿態(tài)角信號(hào)共8路信號(hào)輪流選通送入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換選用B-B公司生產(chǎn)的16位芯片ADS7805，其輸入電壓范圍為±10V，輸出16位和8位可選，這里使用16位并行輸出，其控制信號(hào)由單片機(jī)的口線P1.0、P1.1和P1.2產(chǎn)生，單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。單片機(jī)采用PHILIPS的是有再片CAN功能的微控制器P87C592，晶振頻率為16MHz， P0口和P2口用作數(shù)據(jù)線和地址線，P4口和P5口用作16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高8位和低8位并行數(shù)據(jù)線。P1.6、P1.7用于CAN總線，P1.2、P1.3和P1.4控制八選一多路轉(zhuǎn)換器MAX308的通道。PC82C250為CAN總線收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)發(fā)送能力 、對(duì)CAN控制器的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。它有很強(qiáng)的抗瞬間干擾和保 護(hù)總線的能力；有3種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機(jī)。總線上的某節(jié)點(diǎn)掉電不會(huì) 影響總線，在40 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速應(yīng)用可達(dá)1 Mbps。主機(jī)接收端使用PCL－841 ，PCL－841可直接插在計(jì)算機(jī)的ISA擴(kuò)展槽內(nèi)，計(jì)算機(jī)為PCL－841分配內(nèi)存地址，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存進(jìn)行讀寫，內(nèi)存地址可通過跳線設(shè)置為C800H至EF00H中40個(gè)基地址中的任一個(gè)。是內(nèi)置CAN控制器的CAN總線通信卡，它提供總線仲裁和錯(cuò)誤檢測(cè)并自動(dòng)重發(fā)送功能，從而避免了數(shù)據(jù)丟失，保證了系統(tǒng)的可靠性。

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2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)有效、實(shí)時(shí)通信，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含兩部分即單片機(jī)程序和主機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理程序。

單片機(jī)程序主要包括節(jié)點(diǎn)初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序、報(bào)文接收程序以及CAN總線出錯(cuò)處理程序等。單片機(jī)主程序流程圖見圖3，程序用C51語(yǔ)言編寫。

CAN控制器對(duì)于CPU來(lái)說是以確保雙方獨(dú)立工作的寄存器映像外圍設(shè)備出現(xiàn)的，微控制器和CPU之 間狀態(tài)、控制和命令的交換都是通過在復(fù)位模式或工作模式下對(duì)這些寄存器的讀寫來(lái)完成的。初始化CAN內(nèi)部寄存器時(shí)注意使得各節(jié)點(diǎn)的位速率必須一致，而且接、發(fā)雙方必須同步。發(fā)送一幀數(shù)據(jù)采用高速DMA，它允許在最多2個(gè)周期內(nèi)，在CAN控制器和主RAM之間傳送一個(gè)完整的報(bào)文（最多10個(gè)字節(jié)）。CPU功能的極大增強(qiáng)是由于高速傳送是在后臺(tái)完成的。一次成功的DMA傳送后DMA位被復(fù)位。DMA傳送期間，CPU可以處理下一條指令，然而，不允許對(duì)數(shù)據(jù)存貯器、CANADR、CANDAT、CANCON或CANSTA的訪問。置DMA位后，各個(gè)中斷均被禁止，直至傳送結(jié)束。復(fù)位狀態(tài)期間（復(fù)位請(qǐng)求位為高）不能進(jìn)行DMA傳送。為提高通信的實(shí)時(shí)性，報(bào)文的接收采用中斷接收方式，這樣也可保證接收緩存器不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。
主機(jī)程序包括測(cè)量和控制子程序、通信子程序、數(shù)據(jù)處理子程序等。數(shù)據(jù)測(cè)量和控制子程序用來(lái)控制下位機(jī)進(jìn)行測(cè)量，通信子程序根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送控制命令并接收測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲(chǔ)。主機(jī)程序用C語(yǔ)言編寫。主機(jī)程序流程見圖4。

3 水下物理場(chǎng)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)
在對(duì)水下物理場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，需要測(cè)量的信號(hào)共有3種8路：電場(chǎng)三個(gè)分量，磁場(chǎng)三個(gè)分量以及傳感器在海底的傾斜角度兩個(gè)分量。實(shí)際測(cè)量時(shí)，整個(gè)測(cè)量體（包括傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，水密容器等）放置在海底（約30米深），測(cè)量體距離岸邊接收主機(jī)120米。其他一些實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：傳輸波特率為1Mbps，各節(jié)點(diǎn)的采樣頻率為10KHz，每采樣4路信號(hào)向主機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，每次送出4組8字節(jié)數(shù)據(jù)，分辨率：0.0495μA/m；信號(hào)輸入范圍：-50mV～50mV；信號(hào)頻率帶寬：500Hz～800Hz；供電電壓：±5V，9V，±15V。測(cè)量系統(tǒng)在較復(fù)雜的海洋環(huán)境條件下從上午9：00開始工作，中間不停機(jī)，到下午5：00測(cè)量完畢。測(cè)量結(jié)果經(jīng)過分析與理論計(jì)算吻合說明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。此外，全套測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)備（包括計(jì)算機(jī)與傳感器）造價(jià)低于3萬(wàn)元。
4 結(jié)論
CAN總線已被公認(rèn)為是最有前途的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線之一，在一些高檔汽車車載系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，也因其高性能價(jià)格比、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)深得越來(lái)越多的研發(fā)人員的青睞。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是提出一種基于CAN總線結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方法，將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中，設(shè)計(jì)了硬 件電路和軟件，并得到實(shí)際應(yīng)用。該系統(tǒng)可在復(fù)雜的海洋中實(shí)現(xiàn)對(duì)8路傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與傳送，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、傳輸距離遠(yuǎn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法也可應(yīng)用到其他需要數(shù)據(jù)采集的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中去