基于CAN總線的電流、電壓變送器的設計與實現

摘要：介紹了一種基于CAN總線技術在電流、電壓變送器中的設計和應用。給出了變送器的整體結構，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)具有結構簡單、可靠性高、性價比高等特點，有廣闊的應用前景。

　　0.引言

　　現場總線技術和智能化儀表技術是目前自動與控制行業(yè)發(fā)展最快的兩大技術。在現場總線技術中，CAN總線是發(fā)展較為迅速的一種協(xié)議標準，已經被廣泛應用于自動化領域。本文介紹的是一種基于CAN總線的智能變送系統(tǒng)?？刂破骶钟蚓W（ControllerAreaNetwork,CAN）是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種數據通信協(xié)議。CAN總線能有效地支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。通信介質可以是雙絞線、同軸電纜和光導纖維。

　　1 系統(tǒng)網絡構成

　　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)采用總線式網絡拓撲結構，結構簡單且成本低。其網絡組成方式如圖1所示。

圖1CAN總線的電流/電壓變送系統(tǒng)總體結構。

　　現場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場設備的實時數據，并通過CAN總線將采集的數據交送給監(jiān)控站，供監(jiān)控站獲得采集數據的基本信息，從而進行數據分析。監(jiān)控站（PC機）通過插槽中的CAN2PC總線適配卡實現與CAN智能測控節(jié)點的通信。在該系統(tǒng)結構中，并沒有采用多主結構方式，而是采用了一主多從的網絡架構。該方式在一定程度上減輕了網絡的負荷。

　　2 CAN智能變送節(jié)點的硬件設計

　　CAN智能變送節(jié)點具有現場數據采集、控制以及與CAN總線通信功能。該節(jié)點以Microchip公司生產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選擇相應通道，進入信號調理環(huán)節(jié)，將信號轉換成ADC可以接受同時又能有效利用ADC輸入范圍的電壓信號。調理后的信號經過A/D轉換，實現對原模擬信號的數字轉換。并通過單片機I/O口存儲到其內部相應RAM區(qū)，對數據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據時，下位機利用CAN總線接口單元將采集數據等基本信息發(fā)送到CAN總線上。圖2為系統(tǒng)結構的總體框圖。

圖2系統(tǒng)結構框圖。

　　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內置的10bitADC,而是采用美國Maxim公司生產的逐次逼近型16bit模數轉換器MAX1166作為外置ADC.該芯片片內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的數據總線為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

　　被檢測電流經過電流檢測芯片MAX472內置采樣電阻RSENSE轉換為電壓信號，MAX951進行信號運算，將其轉換為符合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換為適合A/D轉換的電壓信號。故UOUT的范圍已經被確定為ADC可允許輸入的最大電壓范圍。將UOUT代入式（2），依據UOUT輸出范圍和RSENSE、ILOAD及RG值，可得ROUT值。420mA電流經過MAX472被轉換為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。