基于CAN总线的嵌入式监控设备的设计

孔祥通，王春平，孙书鹰，刘江义

（军械工程学院，河北 石家庄 050003）

0 引 言

CAN总线作为国际上应用最为广泛的现场总线之一，具有可靠性高、通信实时性好以及可扩展性强等诸多特点，在工业现场控制、信号采集系统等众多领域中得到了广泛应用[1]。火控系统是控制火炮瞄准和发射的系统，火控计算机是火控系统的核心，在完成火控解算进而引导高炮射击时具有重要作用。由于火控系统信号众多，状态复杂，对其关键信号采集测试就显得尤为重要[2]。

基于以上原因，设计了一种基于CAN总线的某型高炮火控装备信号采集监控设备，该设备具有模拟、数字信号的实时、定时采集功能，通过CAN网络，可完成多节点信号采集。

1 硬件设计

系统采用以ARM Cortex-M4为内核的新型STM32F4微控制器作为控制核心，配以信号调理电路、通信接口电路等外设电路实现。系统工作原理为：STM32F407为控制核心，主要完成外设扩展和数据处理、通信功能。对于模拟量的采集，需要将信号首先经调理电路处理后由专用A/D转换芯片处理后送入MCU内；数字信号则经电平转换后直接输入MCU的GPIO，采集节点和方式由软件统一管理。CAN模块用于组建CAN网络，便于实现整网数据节点的采集处理。系统结构如图1所示。

图1 信号采集监控系统硬件结构图

1.1 STM32F4微控制器

STM32F4微控制器是由意法半导体生产的基于ARM Cortex-M4内核的新型低成本微控制器，性能优越[3]。下面主要说明选用此型号MCU的原因：

（1）内核架构先进，性能优越。此型号MCU特有的ART技术使得程序零等待执行，提高了执行效率，主频为168 MHz且可适当超频，具有较高的运算能力及数据处理功能。

（2）片内多达1MB Flash，可以实现在不加外部存储器的情况下实现大量数据的存储，降低了开发成本。

（3）具有日历功能的32位实时时钟（RTC），计时精度达到1s，在系统工作时可实时得到数据采集时间，通过调用实时时钟中断，可实现定时采集功能。

（4）通信接口丰富，可方便完成功能扩展。STM32F4内部集成CAN控制器，通过外接相关的CAN收发芯片可方便实现CAN网络通信。此外，其具有高速串口、SPI等通信接口，支持多种通信方式及外设扩展。

1.2 模拟信号采集电路

模拟信号采集电路主要由信号调理电路和A/D转换电路两部分组成。信号调理电路完成模拟信号的预处理，将输入信号调理按比例放大（缩小）为符合A/D转换处理范围的信号；A/D转换电路将调理后的待采集模拟信号经A/D转换芯片转换为数字信号后经SPI总线送入MCU内，供MCU处理。

1.2.1 信号调理电路

由于待采集模拟信号不一定符合A/D转换芯片所能够处理的电压范围，因此需要对其调理转变为可处理的信号。图2为模拟信号调理电路，它将设备输出的模拟信号进行滤波及放大处理。图中电容C50用来滤除一些来自地端的高频串扰；R37为电位器，可用于灵活调整信号输出大小；2V稳压二极管可用于保护运放LF412不被损坏。另外，LF412使用双电压模式，具有较高的转换速率，较为适合完成某些变化速率较快的信号处理工作。

图2 信号调理电路原理图

1.2.2 A/D转换电路

MAX1270是MAXIM公司生成的8通道、12位串行高速A/D转换芯片，与MCU通过SPI（三线制）方式通信，高达110 kS/s采样率[4]，通道选择可通过软件编程实现，适合完成设计需要任务。使用时，首先对芯片及通信端口进行初始化，然后通过unsigned short SPI1_SendByte（u8 channel_number）函数发送其通道代码，返回值即此通道A/D转换数值，channel_number 为：0x88、0x98、0xa8、0xb8、0xc8、0xd8、0xe8、0xf8，依次表示0~7号通道。

1.3 CAN网络电路

控制器局域网CAN能够以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文，可用软件配置报文发送的优先级特性。由于此MCU自带有CAN总线控制器，外围只需要接一块总线接口芯片即可实现CAN总线功能。图2为CAN总线收发器65HVD290接口电路，CAN总线的物理连接分为CANH和CANL两根线，以差分形式输出。该器件具有较强的抗宽范围共模干扰、电磁干扰的能力，可用于高干扰环境下[5]。综合通信距离和性能，CAN网络通信波特率设为500kB。

2 软件设计

2.1 通信协议设计

CAN协议只是定义了物理层和数据链路层，这样就为根据实际需要制定与系统适应的CAN协议提供方便[6-7]。现在较为成功的定制协议主要有CAN-open协议和DeviceNet协议，但其主要应用于大型系统，对本系统不适合[8]。系统传递的信息主要有模拟信号采集值、数字信号采集值以及时间信息，因此采用自定义的CAN扩展协议格式，一个数据帧共31字节。具体含义及规定如表1所示。

系统采用的是CAN标准帧格式，ID为11位。表2为ID功能分配表。

表1 CAN扩展协议格式

表2 ID功能分配表

2.2 模块软件设计

使用Keil开发平台，利用C语言进行源程序开发，通过J-Link进行下载调试，ST公司提供大量库函数，开发简单方便[9]。程序采用模块化结构开发，各模块相对独立，包括系统初始化、模拟数据采集模块、数字信号采集模块、CAN节点初始化模块、报文发送模块、报文接收模块等，具有易于维护、简化代码的优点。

系统上电后，首先完成系统初始化，如：时钟初始化、A/D转换初始化、通信接口（包括SPI、串口、CAN等）初始化，然后根据上位机指示完成实时时间设置，从而可以实现实时采集和定时采集功能。

2.2.1 数据采集软件设计

数据采集分为模拟量和数字量两部分，模拟量采集主要由MCU通过SPI接口控制A/D转换芯片MAX1270完成；数字量的采集通过STM32的输入引脚进行实时状态捕获实现。

模拟量采集时，首先对ADC进行初始化，确定采样时间设定、转换时钟设定等；然后启动ADC，对经过调理信号进行采集，采样结果为8次连续采样的平均值；A/D转换结束后，转入相应服务程序。其信号采集流程如图4所示。

图3 CAN接口电路

对于数字信号采集电路设计时，要注意将被测信号先进行同步及电平转换，即接入一片74HCT245，然后将此管脚对应的输出信号接至MCU数据手册中标注FT（容忍5V）的管脚上。

在完成采集后，需要调用CanMessage_Assemble（）函数将数据组合为符合通信协议的数据帧。

2.2.2 CAN软件设计

CAN总线部分的程序主要包括初始化部分、接收子程序、发送子程序3个部分。初始化程序主要包括装载标识符和屏蔽码及设置波特率等工作[10]。数据发送时，首先将待发送数据写入发送缓冲器，待发送请求得到回应后即可完成数据发送。数据接收时首先检查是否有接收中断；若有，则调用中断，进而读出接收缓冲器中数据并存储，等待下一步处理。数据发送和接收流程如图5所示。

图4 模拟数据采集流程

3 实验测试

采用4个节点对系统进行实验，主控节点设为节点1，每个节点对应一台装备。通过主控节点发送被检测的设备节点号及命令，预设被采集的设备模拟通道采用30V测试源，数字信号状态均为高电平，时间为当前系统时间，测试程序如图5所示。

图5 CAN发送和接收流程图

为对系统性能有更全面的了解，对于30V稳压电源为输入测试源，结果如表3所示。可以看出，采集值最小为29.93V，平均值为29.956V，最大误差为0.23%，采用更多次测量结果也基本符合上述规律。数字信号高低电平采集结果经测试也均为正确值。

表3 30V测试源实测数据

4 结束语

介绍了基于CAN总线的某装备嵌入式监控采集系统，具有可靠性高，通信网络结构简单，适用性较好等优点，充分利用了现场总线的技术优势。设计采用了性能优越的ARM内核和STM32F4芯片，极大提高了系统的性能和可扩展性。经实践表明，整个系统工作稳定，实时性高，节点和功能易于扩展，可有效实现某型装备重点信号的监控采集功能。

[1]韩鑫，鲍可进.CAN总线网络层协议栈开发测试[J].计算机工程，2011，37（15）：232.

[2]周建平.火控计算机多功能板设计与实现[D].西安：电子科技大学，2008：1-5.

[3]意法半导体.STM32F4参考手册[Z].http://www.st.com/，2011：1-3.

[4]Maxim Inc.MAX1270/MAX1271 Datasheet[R].www.maxim-ic.com/，2004：1-3.

[5]姜飞.基于CAN通信适配器硬件设计与软件驱动编程[J].计算机测量与控制，2011，19（8）：2033-2034.

[6]李霞，蔡启仲，陈文辉.基于CAN的嵌入式PLC和监控系统通信设计[J].仪表技术与传感器，2011（10）：41-42.

[7]李军民，祝红军，夏添.基于CAN总线的嵌入式Linux网关设计[J].西华大学学报：自然科学版，2007，26（6）：4-6.

[8]王泓.CAN总线的消息机制[J].中国测试技术，2006，32（1）：130-131.

[9]孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用，2010，31（12）：59-61.

[10]喻金钱，喻斌.STM32F系列ARM Corex-M3核微控制器开发与应用[M].北京：清华大学出版社，2011：400-427.