基于CAN總線的電流、電壓變送器的設計與實現(xiàn)

摘要：介紹了一種基于CAN總線技術(shù)在電流、電壓變送器中的設計和應用。給出了變送器的整體結(jié)構(gòu)，闡述了電流、電壓的測量原理，論述了變送器的硬件組成和軟件實現(xiàn)方法，上位機采用PCI5121適配卡與變送器進行通信。實驗表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、性價比高等特點，有廣闊的應用前景。

　　0.引言

　　現(xiàn)場總線技術(shù)和智能化儀表技術(shù)是目前自動與控制行業(yè)發(fā)展最快的兩大技術(shù)。在現(xiàn)場總線技術(shù)中，CAN總線是發(fā)展較為迅速的一種協(xié)議標準，已經(jīng)被廣泛應用于自動化領(lǐng)域。本文介紹的是一種基于CAN總線的智能變送系統(tǒng)。控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork,CAN）是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線能有效地支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜和光導纖維。

　　1 系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)成

　　為滿足該控制系統(tǒng)既要集中管理又要分散控制的要求，基于CAN總線的電流、電壓變送系統(tǒng)采用總線式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且成本低。其網(wǎng)絡組成方式如圖1所示。

圖1CAN總線的電流/電壓變送系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

　　現(xiàn)場CAN智能變送節(jié)點以微控制器為核心，配有CAN通信接口，其主要功能是采集各現(xiàn)場設備的實時數(shù)據(jù)，并通過CAN總線將采集的數(shù)據(jù)交送給監(jiān)控站，供監(jiān)控站獲得采集數(shù)據(jù)的基本信息，從而進行數(shù)據(jù)分析。監(jiān)控站（PC機）通過插槽中的CAN2PC總線適配卡實現(xiàn)與CAN智能測控節(jié)點的通信。在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，并沒有采用多主結(jié)構(gòu)方式，而是采用了一主多從的網(wǎng)絡架構(gòu)。該方式在一定程度上減輕了網(wǎng)絡的負荷。

　　2 CAN智能變送節(jié)點的硬件設計

　　CAN智能變送節(jié)點具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制以及與CAN總線通信功能。該節(jié)點以Microchip公司生產(chǎn)的具有較高性價比的8bit增強型帶CAN控制器的Flash單片機PIC18F258為核心。該內(nèi)置CAN模塊兼容于ISO的CAN性能測試要求，位速率最大為1Mb/s,執(zhí)行CAN2.0B協(xié)議規(guī)范。變送器節(jié)點主要由信號調(diào)理單元、A/D采集模塊、單片機控制器和CAN總線通信模塊4部分組成。該智能變送節(jié)點面向的檢測對象主要是工業(yè)上使用的標準電流信號（420mA/020mA/010mA）和電壓信號（05V/010V/±5V/±10V）。首先，電流、電壓信號通過多路開關(guān)選擇相應通道，進入信號調(diào)理環(huán)節(jié)，將信號轉(zhuǎn)換成ADC可以接受同時又能有效利用ADC輸入范圍的電壓信號。調(diào)理后的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對原模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換。并通過單片機I/O口存儲到其內(nèi)部相應RAM區(qū)，對數(shù)據(jù)進行相應的軟件濾波設計。當上位機發(fā)出命令，要求下位機回送采集數(shù)據(jù)時，下位機利用CAN總線接口單元將采集數(shù)據(jù)等基本信息發(fā)送到CAN總線上。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體框圖。

圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　2.1檢測電路設計

　　由于該系統(tǒng)對于電壓、電流檢測所要求的精度較高，在系統(tǒng)設計時并沒有采用PIC18F258內(nèi)置的10bitADC,而是采用美國Maxim公司生產(chǎn)的逐次逼近型16bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1166作為外置ADC.該芯片片內(nèi)除集成了逐次逼近型ADC所必須的逐次逼近寄存器SAR、高精度比較器和控制邏輯外，還集成了時鐘、4.096V精密參考源和接口電路。MAX1166的數(shù)據(jù)總線為8bit,故與目前廣泛使用的8bit微處理器連接非常方便。在該系統(tǒng)設計中，如何實現(xiàn)多種電壓、電流信號檢測方案的設計是重點之一。

2.1.1電流檢測原理

　　被檢測電流經(jīng)過電流檢測芯片MAX472內(nèi)置采樣電阻RSENSE轉(zhuǎn)換為電壓信號，MAX951進行信號運算，將其轉(zhuǎn)換為符合ADC模擬電壓輸入范圍的信號（05V）。圖3為420mA電流的檢測原理圖。

圖3 420mA電流檢測原理。

　　MAX472輸出電流為

　　IOUT=ILOADRSENSE/RG1（1）

　　由此得輸出電壓為

　　UOUT=ILOADROUTRSENSE/RG1（2）

　　式中RSENSE---檢測電阻

　　ILOAD---檢測電流

　　RG1---增益電阻

　　ROUT---OUT腳輸出電阻

　　由于電流檢測電路是把輸入的小信號電流轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號。故UOUT的范圍已經(jīng)被確定為ADC可允許輸入的最大電壓范圍。將UOUT代入式（2），依據(jù)UOUT輸出范圍和RSENSE、ILOAD及RG值，可得ROUT值。420mA電流經(jīng)過MAX472被轉(zhuǎn)換為1.256.25V.MAX951對該信號進行了相應的減法運算，從而得到05V.對于020mA/010mA可通過類似方法得到ROUT阻值，從而得到相應UOUT.2.1.2電壓檢測原理。電壓信號的處理主要是采用電阻分壓的方法。通過對輸入端子進行不同的輸入，使得經(jīng)過分壓后的電壓達到ADC要求的輸入范圍，從而滿足不同電壓范圍輸入的要求。電壓檢測原理如圖4所示。根據(jù)UO電壓推算INA、INB、INC輸入范圍，它們所對應的INA、INB、INC輸入方法如表1所示。