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

1 引言
海洋環(huán)境中，由于測量現(xiàn)場離岸較遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，必須將測量裝置與計算機系統(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，便于遠(yuǎn)距離傳送，但這種遠(yuǎn)程的頻率測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)，實時性不強；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)的實時性、可靠性較差；且當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，會導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。
CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r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，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由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)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長度為8個字節(jié)，不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
2 系統(tǒng)設(shè)計
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求傳感器與測量裝置位于測量現(xiàn)場，計算機系統(tǒng)在岸上或船上，它們之間距離經(jīng)常在幾百米，有時甚至達(dá)到幾公里。因此，連接導(dǎo)線少，維護(hù)費用低就顯得尤為重要。本文中測量系統(tǒng)針對磁場（3分量）、電場（3分量）、傾角參數(shù)（2分量），用CAN來構(gòu)建遠(yuǎn)程水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用3個測量節(jié)點，分別對上述8路傳感器信號實現(xiàn)實時采集與傳送。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量裝置。為了延長電池的使用時間，從岸上來控制水下測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
傳感器采用磁場三分量測量模塊，電場三分量測量模塊，傾角2分量測量模塊。信號處理電路中將各信號進(jìn)行放大和濾波，放大采用兩片LM148四運放，濾波器是由運算放大器構(gòu)成的兩個有源低通濾波二階節(jié)的級聯(lián)。單片機系統(tǒng)將電場三分量信號、磁場三分量信號和兩個姿態(tài)角信號共8路信號輪流選通送入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，其控制信號由單片機的口線P1.0、P1.1和P1.2產(chǎn)生，單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。單片機采用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，提供對總線的驅(qū)動發(fā)送能力 、對CAN控制器的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。它有很強的抗瞬間干擾和保 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?？偩€上的某節(jié)點掉電不會 影響總線，在40 m內(nèi)實現(xiàn)高速應(yīng)用可達(dá)1 Mbps。主機接收端使用PCL－841 ，PCL－841可直接插在計算機的ISA擴(kuò)展槽內(nèi)，計算機為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個基地址中的任一個。是內(nèi)置CAN控制器的CAN總線通信卡，它提供總線仲裁和錯誤檢測并自動重發(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
要實現(xiàn)有效、實時通信，軟件的設(shè)計是關(guān)鍵，也是難點。本系統(tǒng)軟件設(shè)計包含兩部分即單片機程序和主機控制和數(shù)據(jù)處理程序。

單片機程序主要包括節(jié)點初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序以及CAN總線出錯處理程序等。單片機主程序流程圖見圖3，程序用C51語言編寫。

CAN控制器對于CPU來說是以確保雙方獨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這些寄存器的讀寫來完成的。初始化CAN內(nèi)部寄存器時注意使得各節(jié)點的位速率必須一致，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個周期內(nèi)，在CAN控制器和主RAM之間傳送一個完整的報文（最多10個字節(jié)）。CPU功能的極大增強是由于高速傳送是在后臺完成的。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，不允許對數(shù)據(jù)存貯器、CANADR、CANDAT、CANCON或CANSTA的訪問。置DMA位后，各個中斷均被禁止，直至傳送結(jié)束。復(fù)位狀態(tài)期間（復(fù)位請求位為高）不能進(jìn)行DMA傳送。為提高通信的實時性，報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出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。
主機程序包括測量和控制子程序、通信子程序、數(shù)據(jù)處理子程序等。數(shù)據(jù)測量和控制子程序用來控制下位機進(jìn)行測量，通信子程序根據(jù)通信協(xié)議發(fā)送控制命令并接收測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理子程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲。主機程序用C語言編寫。主機程序流程見圖4。

3 水下物理場數(shù)據(jù)采集實驗
在對水下物理場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，需要測量的信號共有3種8路：電場三個分量，磁場三個分量以及傳感器在海底的傾斜角度兩個分量。實際測量時，整個測量體（包括傳感器，信號調(diào)理電路，水密容器等）放置在海底（約30米深），測量體距離岸邊接收主機120米。其他一些實驗參數(shù)設(shè)置如下：傳輸波特率為1Mbps，各節(jié)點的采樣頻率為10KHz，每采樣4路信號向主機發(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；信號輸入范圍：-50mV～50mV；信號頻率帶寬：500Hz～800Hz；供電電壓：±5V，9V，±15V。測量系統(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，到下午5：00測量完畢。測量結(jié)果經(jīng)過分析與理論計算吻合說明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。此外，全套測量系統(tǒng)硬件設(shè)備（包括計算機與傳感器）造價低于3萬元。
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，也因其高性能價格比、實現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點深得越來越多的研發(fā)人員的青睞。本文的創(chuàng)新點是提出一種基于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)場控制中，設(shè)計了硬 件電路和軟件，并得到實際應(yīng)用。該系統(tǒng)可在復(fù)雜的海洋中實現(xiàn)對8路傳感器信號的實時采集與傳送，實驗證明該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、傳輸距離遠(yuǎn)、價格低廉等優(yōu)點。該系統(tǒng)設(shè)計方法也可應(yīng)用到其他需要數(shù)據(jù)采集的多節(jié)點系統(tǒng)中去