基于80C196KC的CAN總線智能數據采集模塊設計

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字控制系統(tǒng)對控制器處理能力和可靠性要求過高的缺陷，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)難以實現網絡互連和信息共享。

現場總線的出現使得全數字化，全開放式，具有可互操作性，徹底分散的現場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system)得以實現，現場總線控制系統(tǒng)已成為自動化領域中的一個熱點，也將成為工業(yè)過程控制的一個重要發(fā)展方向。

控制器局域網CAN(controller areanet work)是德國Bosch公司在現代汽車電子技術領域中推出的一種多主控制器局域網絡技術，能有效支持分布式和實時控制，最早主要應用于汽車內部電子監(jiān)測和控制器件數據通信。由于其高可靠性及高實時性而廣泛應用于工業(yè)現場控制等領域。其突出的特點是采用最長8個數據字節(jié)的短幀結構，傳輸時間短，實時性高；另外CAN協議取消了傳統(tǒng)的地址編碼概念，取而代之的是基于數據塊標識符的無損優(yōu)先級仲裁，給分布式控制系統(tǒng)實現模塊間的信息共享帶來了極大的方便。

基于CAN總線的主要特點及發(fā)展趨勢，我校電液實驗室開放式電液伺服控制系統(tǒng)的改造中采用CAN總線作為現場總線標準，構建了一套基于CAN總線智能節(jié)點的現場總線控制系統(tǒng)。文中將詳細介紹智能數據采集模塊的軟硬件設計，該模塊可以實現控制現場的數字、模擬信號采集，現場數據預處理，數據傳送以及與監(jiān)控計算機通訊等功能。

液壓伺服系統(tǒng)簡介

開放式電液伺服控制系統(tǒng)包括數臺電液伺服位置控制實驗臺、電液比例轉速控制實驗臺、電液比例力控制實驗臺。各實驗臺配置1套基于CAN總線的智能數據采集模塊和內置控制算法的智能控制模塊，通過CAN總線將各分散的采集模塊和控制模塊組成一個控制網絡，1臺PC機通過內置的CAN適配卡接入局部網絡，模擬工業(yè)現場的過程控制，PC機作為擔任過程控制監(jiān)控任務的控制站，可以實時顯示各實驗臺工作狀況及向各實驗臺發(fā)送啟停命令，同時還可以通過高速以太網將現場數據遠程傳輸至工程師站等管理級計算機，實現如圖1所示的分層現場總線控制系統(tǒng)。

圖1 開放式電液伺服控制系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)硬件設計

數據采集模塊作為一種智能化現場儀表，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，程序存儲器，電源監(jiān)控及復位電路，GAL譯碼電路，DI、A/D轉換電路及模塊參數設置電路等。模塊結構如圖2所示。

圖2　數據采集模塊結構

80C196KC單片機簡介
80C196KC是Intel公司推出的高性能16位單片機。和MCS51系列單片機相比，MCS196系列單片機具有更快的運算速度和更豐富的片上外圍設備，提高了控制系統(tǒng)的實時性，主要體現在以下幾個方面：
a.可采用8/16位動態(tài)總線配置方式，增強系統(tǒng)的靈活性。
b.CPU中的算術邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結構，改用寄存器-寄存器結構。CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了51單片機中存在的累加器的瓶頸問題，提高了操作速度和數據吞吐能力。
c.有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)?？梢詫Х枖岛筒粠Х枖颠M行操作，16×16位只需1.4μs(20MHz)，32÷16位只需2.4μs(20MHz)，此外還有3操作數指令，大大提高指令效率。
選擇80C196KC單片機作為數據采集模塊的核心器件，可以滿足應用系統(tǒng)的要求，保證系統(tǒng)的可靠性和實時性。

CAN總線接口電路
CAN總線接口由PHILIPS公司的獨立總線控制器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獨立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標準幀數據結構和擴展幀數據結構，并且這2種幀格式都具有單/雙接收過濾器；64字節(jié)的接收FIFO；可讀錯誤計數器和可編程的出錯警告界限以及僅聽模式和自測試模式等。硬件連接上比較簡單：SJA1000的數據地址總線是分時復用的，可以直接與80C196KC的P3口連接，對應控制線相連即可。需注意的是，80C196KC是Intel公司的處理器，因此SJA1000工作在Intel方式，mode引腳應接電源正端，另外單片機的外部中斷只有正跳變有效，而SJA1000的中斷信號是低電平有效，因此需反相后才能連接單片機中斷引腳。

82C250器件提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，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。在低速和總線長度較短時，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，斜率可通過由RS引腳至地連接的電阻進行控制。通信信號傳輸到導線的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端通常應接有終端電阻，以消除反射信號，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗，一般取120Ω。

數字信號采集電路
電液伺服實驗臺需要采集的物理量之一是液壓缸的位移，實驗室現有裝備的位移傳感器有2種：感應同步器和旋轉光電編碼器。二者都配有帶BCD碼輸出的數顯測量儀表，直接采集數顯表的數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的誤差，同時也使電路更加簡潔。

數字顯示儀表的有效BCD碼位數為5位(個、十、百位及2位小數位)，另帶一位符號位，共有21位二進制位。80C196KC片內不帶程序存儲器，因而用P3和P4口作為地址數據總線，單片機剩余有效IO口資源較少，因此必須擴展并口。并口擴展可以采用專用擴展芯片或通用74系列的邏輯芯片，為了簡化電路和編程，采用常見的可擴展24路IO口的82C55A并口擴展芯片?，F場的數字顯示儀表的輸出是非標準的TTL電平，為了實現模塊與前端儀表兼容和隔離，對輸入的數字信號采用了TLP521光耦進行電平轉換和信號隔離。

A/D轉換電路電路
本模塊中A/D轉換器選用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，轉換時間為10μs，單通道最大采集速率50KHz，片內帶基準電壓、三態(tài)緩沖器，且具有采樣保持電路，完全滿足設計的需要。

模擬電壓信號來自BLR1型拉壓式稱重傳感器，傳感器壓力測量量程為0～5000kg，輸出電壓信號0～16mV。為適應AD1674輸入電壓范圍，需對傳感器的微弱電壓信號放大，但同時并存許多噪聲源：傳感器內阻、電纜電阻、放大器電路以及電路周圍的電磁干擾源。因此，電壓信號前端采用低通濾波器和差分放大器AD620等來抑制差模噪聲和共模噪聲，如圖3所示。

圖3

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

V_o=A(V₁-V₂)=A(V_s+V_ns+(V_n1+V_n2))；如果噪聲源與信號源頻譜不重疊，則經低通濾波電路后：V_f≈AV_s。

GAL譯碼電路
本模塊電路中，單片機擴展外圍器件較多，有程序存儲器AT28C256、CAN控制器SJA1000、并口擴展82C55A和A/D轉換AD1674。196單片機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，因此還需動態(tài)改變總線寬度。為了簡化電路，以及適應196單片機較高總線速度的要求，譯碼電路放棄了傳統(tǒng)的門電路組合的方法，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量、降低線路復雜程度，同時降低故障機率及提高硬件設計的靈活性。

GAL16V8引腳分配及邏輯表達式如下：
Input device‘P16V8AS’；
WR，RD，CAN，A12，A13，A14，A15，ADC
pin2，3，4，5，6，7，8，9；
BUSWIDTH，CSCAN，INTCAN，CEROM，CSADC， CS8255，NTADC，EADC
pin19，18，17，16，15，14，13，12；

EQUATIONS
!CEROM=!A15&!A14&A13&!A12#
!A15&!A14&A13&A12
#!A15&A14&!A13&!A12#!A15&
A14&!A13&A12
#!A15&A14&A13&!A12#!A15&
A14&A13&A12
#A15&!A14&!A13&!A12#A15&!
A14&!A13&A12；
!CSCAN=A15&!A14&A13&!A12；
!CS8255=A15&!A14&A13&A12；
!CSADC=A15&A14&!A13&!A12；
BUSWIDTH=A15&A14&!A13&!A12；
!INTCAN=CAN；
!INTADC=ADC；
!CEADC=WR&RD；

由上述邏輯表達式可以看出，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對應基地址分別為：2000H，A000H，B000H，C000H。當選通AD1674時，單片機總線寬度控制引腳BUSWIDTH將置為高，動態(tài)調整到16位總線寬度，其余時刻，BUSWIDTH為低，單片機保持8位總線寬度。INTCAN和INTADC分別是對SJA1000和AD1674中斷請求信號取反。GAL表達式文件用ABEL軟件編譯形成JED文件，使用通用編程器燒入芯片，且可反復多次燒寫，方便調試。

軟件編程

控制軟件的合理設計是模塊實時、有效地完成數據采集及通信任務的關鍵，主要包括系統(tǒng)初始化、CAN信息處理、數據采集及處理等功能模塊。系統(tǒng)開放一個定時中斷，定時時間對應上位機發(fā)送來的采樣周期。CAN報文的接收主要有2種方式：中斷和查詢方式。為提高系統(tǒng)的實時性，同時也保證接收緩沖器不出現數據溢出現象，模塊中采用中斷接收方式。CAN報文發(fā)送采用查詢方式，即當需要發(fā)送數據時，將預先組織好的數據幀按字節(jié)寫入SJA1000的發(fā)送緩沖寄存器中。

SJA1000的初始化主要是在SJA1000的復位模式下設置相應寄存器。在初始化CAN內部寄存器時應注意同一網絡中各模塊的通信速率的設置應一致。下面給出SJA1000工作在BasicCAN模式下的簡單的初始化源程序：

INIT-SJA1000：
LDB　AL，　#01H
STB　AL，　REG-CR?。粡臀籗JA1000
LDB　AL，　#0AAH
STB　AL，　REG-OCR??；設置輸出寄存器為普通輸出模式
LDB　AL，　#048H
STB　AL，　REG-CDR??；使能內部比較器，禁止時鐘輸出
STB　#01H，　REG-BTR0??；設置波特率為
250K(使用16M晶振)
STB　#1CH，　REG-BTR1
LDB　AL，　#00H
STB　AL，　REG-ACR??；設置驗收碼寄存器
LDB　AL，　#0FFH
STB　AL，　REG-AMR?。辉O置驗收屏蔽碼寄存器
LDB　AL，　REG-CR
ANDB　AL，　#0FEH??；SJA1000退出復位模式
LDB　AL，　#02H
STB　AL，　REG-CR　；設置中斷寄存器，使能
接收中斷
RET
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性，實際應用中應該讀出SJA1000寄存器內容并加以比較，從而判斷是否正確寫入。

結束語

基于以上所述的軟、硬件設計實現了CAN協議所包括數據鏈路層和物理層，由于CAN總線協議沒有定義應用層，因此在實際的應用中有必要定義高層通信協議，即相應的命令、參數和數據的格式。國際上比較流行的基于CAN底層協議的高層協議有DeviceNet和CANopen，我們在簡單應用中，采用了自定義的簡單通信協議，在此不作敘述。設計的智能數據采集模塊應用于電液伺服控制系統(tǒng)以來，運行情況良好，由于CAN總線的應用，大大提高了分布式數據采集和控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性和實時性，建立了一個有效的現場總線控制系統(tǒng)的實驗教學平臺。同時該數據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現場總線控制系統(tǒng)。