CAN总线智能信号采集模块的设计与实现＊

罗 伟 朱若寒

（1.95890部队政治处 武汉 430030）（2.国防信息学院 武汉 430030）

1 引言

随着现代军事战场环境的日益复杂严酷，对军用装备的可靠性要求愈加严格。为提高测控系统的可靠性，许多军用测控装备常常需要对现场采集的各类信号采取抗干扰处理措施，并进行数字化传输［1～3］。本文针对某舰用监测系统监控设备多、分布范围广、信号传输实时性要求高的特点，通过智能信号采集模块，实现监控节点的多路信号实时传输。

2 系统总体结构

系统由一个上位机及多个智能信号采集节点组成，所有智能节点通过CAN总线与上位机相连，对监控设备实现信息采集。尽管CAN总线具备一定的抗干扰能力［4～6］，但由于舰船环境极为恶劣且维护保障困难，因此必须对总线采取冗余设计［7～8］。如图1所示。

3 系统硬件组成及工作原理

节点通过以80C51F单片机为控制核心，采用TJA1050作为CAN总线接口部件。将4路4～20mA传感器信号进行调理，得到以符合模数转换器件工作范围的电压信号。经调理的模拟量送入单片机IO引脚。单片机负责数据的分析、处理，并协调与外部节点的通讯。

3.1 信号调理模块

AD采集的信号来自于传感器的标准电流输出。设计输入电阻为200Ω，对应输入电压0.8V～4.0V。采用该电压作为过流报警的输入，将该电压经过50%的分压，连接到单片机IO引脚作为AD的输入信号，电压范围是0.4V～2.0V。同时为了保护单片机IO口，在IO口到地跨接2.7V的稳压管。该模块的电路原理图如图2所示。

3.2 过流报警模块

采用LM339电压比较器，比较电压为4V，正常情况下比较器输出为低电平，当输入电流经过200Ω电阻产生的电压大于4V时，比较器输出端变成高电平。将4路输入对应的比较器输出与单片机IO连接；同时将这4路比较器输出通过一个4或逻辑电路，产生一个中断信号，与单片机INT0连接，用于实现过流报警。74LS32为4路2或门，通过级联产生4或逻辑。该模块电路原理图如图3（a）和图3（b）所示。

图2 信号调理模块原理图

图3（a） 过流报警模块（电压比较电路）

图3（b） 过流报警模块（过流中断电路）

3.3 CAN通讯模块

采用两个以CAN接口芯片TJA1050为中心的带冗余CAN物理接口的典型的CAN保护电路设计。可通过单片机IO经过多路开关选择默认线路还是冗余线路，利用软件判断并控制切换时机。该模块电路原理图如图4所示。

图4 CAN通讯模块原理图

4 软件设计

4.1 数据采集

通过分时复用，采集4路12bit的AD数据并存储。用默认的参考电压2.25V，设定增益为1。为进一步提高精度，在软件设计中采用滑动平均滤波进行信号抗干扰处理。

4.2 CAN通讯

通讯协议采用CAN2.0A规范，其消息ID为11位［9～10］。根据系统需求，采用2组消息对象进行通讯：

1）命令帧：

该过程由上位机发起，向指定智能节点发送控制指令，包括控制设备IO状态、请求AD数据等。所有命令统一数据域长度为4字节，首字节为命令字，第2字节为命令码，其他字节保留，并用0填充。帧格式如图5所示。

图5 命令帧格式

其中命令字定义为：0x0F—控制设备IO；0x02—查询IO状态；0x04—查询AD数据。

当命令字为0x0F时，命令码有效，代表控制的IO通道编号；当命令字不为0x0F时，命令码无效，填充为0。

2）数据帧：

智能节点接收到上位机命令帧后，根据命令字向上位机发送采样数据或当前IO状态。由于每个智能节点有2路AD通道，每路通道12位。将数据域长度设为4个字节。对于发送AD数据，前两字节DA1为通道0采样并换算所得电流值；后两字节DA2为通道1采样并换算所得电流值数值。0表示该通道出现断线故障。发送AD数据的帧格式见图6。

图6 数据帧格式—AD数据

对于发送IO状态数据，前两个字节为节点当前ID号，第3字节为IO状态信息，第4字节保留，并以0填充。帧格式见图7。

发送IO通道状态的帧格式。

图7 数据帧格式—IO状态数据

4.3 任务调度

智能节点指标要求AD采样率达到100KHz，为保证实时性，需要在10us时间内，完成一次数据的采集与处理过程。期间的关键时间为CAN数据收发时间以及AD数据处理时间。

CAN数据收发主要处理收发成功或出错时中断子程序的寄存器配置；当出错中断程序发现在最近10秒内始终无法与上位机建立正常通讯连接，自动将通讯链路切换到备份通道。

AD采样完成信号连接为外部中断，其处理过程是对AD数据进行滤波等处理，以获得需求规定范围内的线性度。

5 结语

本文介绍了一种基于CAN总线结构的智能信号采集模块的设计与实现。舰船监控系统可通过分布在舱室内的各智能节点模块，完成对舰船设备的全面监控与有效管理。同时，采用双CAN网络结构进一步提高了系统的可靠性。

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