基于CAN總線和DSP的雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 引言
　　CAN（Controller Area Network）即控制器區(qū)域網(wǎng)，CAN總線是由德國(guó)BOSCH公司為實(shí)現(xiàn)汽車測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計(jì)的、支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN BUS現(xiàn)場(chǎng)總線已由ISO/TC22 技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IOS11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO11519（通訊速率小于125kbps）。CAN總線開始主要應(yīng)用于自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，但隨著CAN的應(yīng)用普及，CAN總線的實(shí)時(shí)性以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)也逐步為航天領(lǐng)域所認(rèn)可［1］。
　　本文將對(duì)CAN總線在航天領(lǐng)域應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，并在CAN總線和DSP技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于CAN總線和DSP的雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文中將重點(diǎn)介紹雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及CAN總線接口的設(shè)計(jì)。
　　2 CAN總線在航天領(lǐng)域的應(yīng)用狀況
　　CAN總線開始主要應(yīng)用于自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，但隨著CAN的應(yīng)用普及，其應(yīng)用范圍已不局限于汽車行業(yè)，正在逐步為航天領(lǐng)域所認(rèn)可。1995年SSTL（Surrey大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)公司）將CAN作為星載遙測(cè)/遙控信道，隨之SSTL開發(fā)了基于CAN的分布式解決方案。至今SSTL已經(jīng)在UoSAT-12，SNAP-1，AISAT-1，UKDMC，NigeriaSAT-1，BilSAT-1 等6顆LEO衛(wèi)星中應(yīng)用了CAN總線網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)星載計(jì)算機(jī)與其他任務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的通信；ESA在SMART-1上也將CAN作為系統(tǒng)總線和有效載荷總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳送。
　　ESA開展的CAN技術(shù)研究表明以差分信號(hào)傳輸?shù)母咚俅锌偩€用于星載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸能保證通信的及時(shí)性，有利于降低星載設(shè)備的功耗，有助于獲得低噪聲、抗電磁干擾性強(qiáng)、EMI低、信號(hào)不受電源開關(guān)狀態(tài)變化影響等優(yōu)勢(shì)，具有良好的航天應(yīng)用前景。隨著航天電子技術(shù)的發(fā)展，航天電子設(shè)備綜合化程度越來越高，設(shè)備之間需要交互的信息量越來越大，CAN總線技術(shù)已經(jīng)開始在航天電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的運(yùn)用［3］。
　　在國(guó)內(nèi)，CAN總線技術(shù)已在小衛(wèi)星中得到了實(shí)際的應(yīng)用。隨著航天信息一體化技術(shù)的發(fā)展，CAN總線將廣泛應(yīng)用于航天器的測(cè)量、控制等系統(tǒng)。CAN接口的采用將大大簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)的電纜網(wǎng)，提高航天器的飛行可靠性。
　　3 雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能
　　雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由采集單元、DSP中間控制器、頂層控制中心等組成，它的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多區(qū)域、多單元的數(shù)據(jù)采集和信息管理控制，采用分級(jí)、區(qū)域控制的優(yōu)化控制思想，采用DSP中間控制器作為各采集區(qū)域的核心控制器，實(shí)現(xiàn)上下層間的數(shù)據(jù)交換。
　　采集單元是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，它直接與參數(shù)采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的采集，包括電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等。采集單元自身具有微控制器和存儲(chǔ)器，既作為系統(tǒng)的重要組成部分，參與系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，也可以它作為獨(dú)立單元來完成數(shù)據(jù)采集功能，即在系統(tǒng)出現(xiàn)通信等故障的情況下，采集單元仍可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提高了系統(tǒng)的可靠性。采集單元通過標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線接口，連接到Bot－CAN總線上，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。
　　DSP中間控制器是整個(gè)采集系統(tǒng)的通信樞紐，提供上層網(wǎng)絡(luò)和下層網(wǎng)絡(luò)通訊的雙接口。一方面通過上層網(wǎng)絡(luò)（Top-CAN BUS）與頂層控制中心進(jìn)行通訊，另一方面通過低層網(wǎng)絡(luò)（Bot-CAN BUS）與各個(gè)采集單元進(jìn)行通訊。DSP中間控制器是數(shù)據(jù)采集的區(qū)域控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)本區(qū)域數(shù)據(jù)的收集、處理，并通過CAN總線與頂層控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)頂層控制中心對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)采集區(qū)域和采集單元的信息收集和控制。
　　4 CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)
　　雙層CAN總線網(wǎng)絡(luò)的主要接口包括采集單元的CAN總線接口、DSP中間控制器的雙CAN總線接口和頂層控制中心的CAN總線接口。其中采集單元的CAN總線接口采用標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線接口，這里不再贅述。而頂層控制中心一般為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可通過CAN通信卡直接連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，因此也無需多做說明，下面重點(diǎn)介紹具有雙CAN總線接口的DSP中間控制器的雙CAN總線接口的設(shè)計(jì)。
　　4.1 DSP芯片介紹
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要兼顧速度特性和穩(wěn)定性，TMS320LF2407A是TI公司的一款內(nèi)置CAN模塊的DSP芯片，工作電壓3.3V。它具有內(nèi)在的操作靈活性，高速的運(yùn)算能力等特點(diǎn)。DSP中間控制器就以這款芯片作為主控芯片。
　　TMS320LF2407A的CAN模塊完全支持CAN2.0A/B協(xié)議，CAN控制器模塊是一個(gè)完全的CAN控制器，具有可編程的位定時(shí)器、中斷配置可編程、可編程的CAN總線喚醒功能、自動(dòng)回復(fù)遠(yuǎn)程請(qǐng)求、總線錯(cuò)誤診斷等功能，可以工作在標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式，內(nèi)置6個(gè)郵箱完成數(shù)據(jù)收發(fā)，可進(jìn)行自測(cè)試，CAN模塊內(nèi)各部分的結(jié)構(gòu)和功能基本上和流行的PHILIPS增強(qiáng)型CAN控制器SJAl000相同。