基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)總線控制智能數(shù)據(jù)采集模塊的軟硬件設(shè)計(jì)

引言

基于集中管理、分散控制的分散控制系統(tǒng)（distributed control system）解決了集中式直接數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)控制器處理能力和可靠性要求過(guò)高的缺陷，但由于其具有一定的封閉性、各分散控制系統(tǒng)之間的不兼容性，集散控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享。

現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)使得全數(shù)字化，全開(kāi)放式，具有可互操作性，徹底分散的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（fieldbus control system）得以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)已成為自動(dòng)化領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)，也將成為工業(yè)過(guò)程控制的一個(gè)重要發(fā)展方向。

控制器局域網(wǎng)CAN（controller areanet work）是德國(guó)Bosch公司在現(xiàn)代汽車(chē)電子技術(shù)領(lǐng)域中推出的一種多主控制器局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能有效支持分布式和實(shí)時(shí)控制，最早主要應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)部電子監(jiān)測(cè)和控制器件數(shù)據(jù)通信。由于其高可靠性及高實(shí)時(shí)性而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制等領(lǐng)域。其突出的特點(diǎn)是采用最長(zhǎng)8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，實(shí)時(shí)性高；另外CAN協(xié)議取消了傳統(tǒng)的地址編碼概念，取而代之的是基于數(shù)據(jù)塊標(biāo)識(shí)符的無(wú)損優(yōu)先級(jí)仲裁，給分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模塊間的信息共享帶來(lái)了極大的方便。

基于CAN總線的主要特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，我校電液實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放式電液伺服控制系統(tǒng)的改造中采用CAN總線作為現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了一套基于CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。文中將詳細(xì)介紹智能數(shù)據(jù)采集模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，該模塊可以實(shí)現(xiàn)控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字、模擬信號(hào)采集，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)傳送以及與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通訊等功能。

液壓伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介

開(kāi)放式電液伺服控制系統(tǒng)包括數(shù)臺(tái)電液伺服位置控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)、電液比例轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)、電液比例力控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)。各實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置1套基于CAN總線的智能數(shù)據(jù)采集模塊和內(nèi)置控制算法的智能控制模塊，通過(guò)CAN總線將各分散的采集模塊和控制模塊組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，1臺(tái)PC機(jī)通過(guò)內(nèi)置的CAN適配卡接入局部網(wǎng)絡(luò)，模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程控制，PC機(jī)作為擔(dān)任過(guò)程控制監(jiān)控任務(wù)的控制站，可以實(shí)時(shí)顯示各實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作狀況及向各實(shí)驗(yàn)臺(tái)發(fā)送啟停命令，同時(shí)還可以通過(guò)高速以太網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至工程師站等管理級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)如圖1所示的分層現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

圖1 開(kāi)放式電液伺服控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊作為一種智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表，主要包括硬件系統(tǒng)和控制軟件2大部分。模塊硬件部分以80C196KC單片機(jī)作為采集模塊的核心，外圍電路主要包括CAN總線接口，程序存儲(chǔ)器，電源監(jiān)控及復(fù)位電路，GAL譯碼電路，DI、A/D轉(zhuǎn)換電路及模塊參數(shù)設(shè)置電路等。模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

80C196KC單片機(jī)簡(jiǎn)介

80C196KC是Intel公司推出的高性能16位單片機(jī)。和MCS51系列單片機(jī)相比，MCS196系列單片機(jī)具有更快的運(yùn)算速度和更豐富的片上外圍設(shè)備，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a.可采用8/16位動(dòng)態(tài)總線配置方式，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。

b.CPU中的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)。CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了51單片機(jī)中存在的累加器的瓶頸問(wèn)題，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。

c.有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)。可以對(duì)帶符號(hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行操作，16×16位只需1.4μs（20MHz），32÷16位只需2.4μs（20MHz），此外還有3操作數(shù)指令，大大提高指令效率。

選擇80C196KC單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心器件，可以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求，保證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

CAN總線接口電路

CAN總線接口由PHILIPS公司的獨(dú)立總線控制器SJA1000和接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨(dú)立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且這2種幀格式都具有單/雙接收過(guò)濾器；64字節(jié)的接收FIFO；可讀錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和可編程的出錯(cuò)警告界限以及僅聽(tīng)模式和自測(cè)試模式等。硬件連接上比較簡(jiǎn)單：SJA1000的數(shù)據(jù)地址總線是分時(shí)復(fù)用的，可以直接與80C196KC的P3口連接，對(duì)應(yīng)控制線相連即可。需注意的是，80C196KC是Intel公司的處理器，因此SJA1000工作在Intel方式，mode引腳應(yīng)接電源正端，另外單片機(jī)的外部中斷只有正跳變有效，而SJA1000的中斷信號(hào)是低電平有效，因此需反相后才能連接單片機(jī)中斷引腳。

82C250器件提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力，其RS引腳允許選擇3種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)。在低速和總線長(zhǎng)度較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過(guò)由RS引腳至地連接的電阻進(jìn)行控制。通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸，因而總線兩端通常應(yīng)接有終端電阻，以消除反射信號(hào)，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗，一般取120Ω。

數(shù)字信號(hào)采集電路

電液伺服實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要采集的物理量之一是液壓缸的位移，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有裝備的位移傳感器有2種：感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)光電編碼器。二者都配有帶BCD碼輸出的數(shù)顯測(cè)量?jī)x表，直接采集數(shù)顯表的數(shù)字量可以保證采集模塊具有儀表的高精度，避免因采集傳感器前端脈沖而帶來(lái)的誤差，同時(shí)也使電路更加簡(jiǎn)潔。

數(shù)字顯示儀表的有效BCD碼位數(shù)為5位（個(gè)、十、百位及2位小數(shù)位），另帶一位符號(hào)位，共有21位二進(jìn)制位。80C196KC片內(nèi)不帶程序存儲(chǔ)器，因而用P3和P4口作為地址數(shù)據(jù)總線，單片機(jī)剩余有效IO口資源較少，因此必須擴(kuò)展并口。并口擴(kuò)展可以采用專(zhuān)用擴(kuò)展芯片或通用74系列的邏輯芯片，為了簡(jiǎn)化電路和編程，采用常見(jiàn)的可擴(kuò)展24路IO口的82C55A并口擴(kuò)展芯片。現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字顯示儀表的輸出是非標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，為了實(shí)現(xiàn)模塊與前端儀表兼容和隔離，對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)采用了TLP521光耦進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離。

A/D轉(zhuǎn)換電路電路

本模塊中A/D轉(zhuǎn)換器選用AD1674，它與AD574兼容，12位分辨率，輸入電壓范圍0～±10V或0～±5V單雙極性可選，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs，單通道最大采集速率50KHz，片內(nèi)帶基準(zhǔn)電壓、三態(tài)緩沖器，且具有采樣保持電路，完全滿足設(shè)計(jì)的需要。

模擬電壓信號(hào)來(lái)自BLR1型拉壓式稱重傳感器，傳感器壓力測(cè)量量程為0～5000kg，輸出電壓信號(hào)0～16mV。為適應(yīng)AD1674輸入電壓范圍，需對(duì)傳感器的微弱電壓信號(hào)放大，但同時(shí)并存許多噪聲源：傳感器內(nèi)阻、電纜電阻、放大器電路以及電路周?chē)碾姶鸥蓴_源。因此，電壓信號(hào)前端采用低通濾波器和差分放大器AD620等來(lái)抑制差模噪聲和共模噪聲，如圖3所示。

圖3 電壓信號(hào)前端電路

設(shè)Vs為傳感器的信號(hào)電壓，Vn1、Vn2為外部噪聲源在電纜線上的感應(yīng)噪聲信號(hào)，Vns為電路噪聲。因此，差分放大器輸出電壓Vo為：

Vo=A（V1-V2）=A（Vs+Vns+（Vn1+Vn2））；如果噪聲源與信號(hào)源頻譜不重疊，則經(jīng)低通濾波電路后：Vf≈AVs。

GAL譯碼電路

本模塊電路中，單片機(jī)擴(kuò)展外圍器件較多，有程序存儲(chǔ)器AT28C256、CAN控制器SJA1000、并口擴(kuò)展82C55A和A/D轉(zhuǎn)換AD1674。196單片機(jī)在模塊中主要工作于8位總線寬度下，由于AD1674采用了12位并行輸出模式，因此還需動(dòng)態(tài)改變總線寬度。為了簡(jiǎn)化電路，以及適應(yīng)196單片機(jī)較高總線速度的要求，譯碼電路放棄了傳統(tǒng)的門(mén)電路組合的方法，采用了可多次編程的通用陣列邏輯器件（generic array logic）GAL16V8。這樣可以減少元器件數(shù)量、降低線路復(fù)雜程度，同時(shí)降低故障機(jī)率及提高硬件設(shè)計(jì)的靈活性。

GAL16V8引腳分配及邏輯表達(dá)式如下：

由上述邏輯表達(dá)式可以看出，外圍器件地址基地址由最高4位地址A12～A15決定，AT28C256、SJA1000、82C55A及AD1674對(duì)應(yīng)基地址分別為：2000H，A000H，B000H，C000H。當(dāng)選通AD1674時(shí)，單片機(jī)總線寬度控制引腳BUSWIDTH將置為高，動(dòng)態(tài)調(diào)整到16位總線寬度，其余時(shí)刻，BUSWIDTH為低，單片機(jī)保持8位總線寬度。INTCAN和INTADC分別是對(duì)SJA1000和AD1674中斷請(qǐng)求信號(hào)取反。GAL表達(dá)式文件用ABEL軟件編譯形成JED文件，使用通用編程器燒入芯片，且可反復(fù)多次燒寫(xiě)，方便調(diào)試。

軟件編程

控制軟件的合理設(shè)計(jì)是模塊實(shí)時(shí)、有效地完成數(shù)據(jù)采集及通信任務(wù)的關(guān)鍵，主要包括系統(tǒng)初始化、CAN信息處理、數(shù)據(jù)采集及處理等功能模塊。系統(tǒng)開(kāi)放一個(gè)定時(shí)中斷，定時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)上位機(jī)發(fā)送來(lái)的采樣周期。CAN報(bào)文的接收主要有2種方式：中斷和查詢方式。為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也保證接收緩沖器不出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象，模塊中采用中斷接收方式。CAN報(bào)文發(fā)送采用查詢方式，即當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將預(yù)先組織好的數(shù)據(jù)幀按字節(jié)寫(xiě)入SJA1000的發(fā)送緩沖寄存器中。

SJA1000的初始化主要是在SJA1000的復(fù)位模式下設(shè)置相應(yīng)寄存器。在初始化CAN內(nèi)部寄存器時(shí)應(yīng)注意同一網(wǎng)絡(luò)中各模塊的通信速率的設(shè)置應(yīng)一致。下面給出SJA1000工作在BasicCAN模式下的簡(jiǎn)單的初始化源程序：

以上程序段可以正確初始化SJA1000，為了提高程序可靠性和容錯(cuò)性，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該讀出SJA1000寄存器內(nèi)容并加以比較，從而判斷是否正確寫(xiě)入。

結(jié)束語(yǔ)

基于以上所述的軟、硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議所包括數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，由于CAN總線協(xié)議沒(méi)有定義應(yīng)用層，因此在實(shí)際的應(yīng)用中有必要定義高層通信協(xié)議，即相應(yīng)的命令、參數(shù)和數(shù)據(jù)的格式。國(guó)際上比較流行的基于CAN底層協(xié)議的高層協(xié)議有DeviceNet和CANopen，我們?cè)诤?jiǎn)單應(yīng)用中，采用了自定義的簡(jiǎn)單通信協(xié)議，在此不作敘述。設(shè)計(jì)的智能數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用于電液伺服控制系統(tǒng)以來(lái)，運(yùn)行情況良好，由于CAN總線的應(yīng)用，大大提高了分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性和實(shí)時(shí)性，建立了一個(gè)有效的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。同時(shí)該數(shù)據(jù)采集模塊也可以方便地移植到工業(yè)上的其它控制系統(tǒng)中，與其它基于CAN總線的智能控制模塊組成CAN現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。