一种基于CAN总线的高精度角度变送器

韩彬

摘 要： 针对工业控制系统中对角度位置量高精度、实时性强的测量需求，提出了一种基于CAN总线的高精度角度变送器的设计与实现。以C8051F504型单片机作为处理核心，重点阐述了旋转变压器?数字转换系统模型的构建，并确定了校正参数；利用单片机内部集成的CAN控制器，设计了CAN总线接口电路，详细介绍了器件选型和电路设计的创新点。测试结果表明，设计的角度变送器精度指标高达1.7′，可靠性和实时性强，具有广泛的应用前景。

关键词： 角度变送器； CAN总线； C8051F504； 旋转变压器?数字转换

中图分类号： TN98?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0103?04

Abstract： According to the requirement of high?precision and critical real?time angle measurement in industry control system， a high?precision angle converter based on CAN?bus is proposed， Construction of resolver?to?digital conversion system model is expatiated， which takes C8051F504 MCU as processing core， The emendation parameter was confirmed， CAN?bus interface circuit was designed by making use of CAN controller integrated in MCU， The component selection and circuit innovation are introduced in detail， The testing results show that the accuracy of the angle converter is up to 1，7 arc minutes， and it has strong reliability and real?time performance， Therefore， it has extensive application prospect，

Keywords： angle converter； CAN?bus； C8051F504； resolver?to?digital conversion

0 引 言

现场总线CAN?bus作为工业现场总线中非常重要的一员，凭借其可靠、实用、灵活、经济的特点，目前已在自动化、轿车、工程车辆、机车、船舶等诸多行业广泛应用[1]。在工业控制伺服设备中，实现角度位置量的高精度实时测量和控制是其关键性的技术。角度变送器是一种角度量?数字转换器，其功能是将旋转变压器或自整角机的模拟信号转换为数字信号，与普通的A/D编码相比，轴角编码采用正、余信号进行编码，抗干扰能力强且转换速度快[2]。

为了适应工业控制系统的发展需求，本文提出了一种高精度的CAN总线角度变送器，与传统的RS 485总线产品相比，具有完善的通信协议，数据通信实时性强[3?4]，并且容易构成冗余结构，提高了系统的可靠性和系统的灵活性。

1 总体设计

1.1 系统组成

角度变送器用于检测旋转变压器角度位置量及旋转圈数。具备CAN通信接口，能够接收上级控制设备查询指令，向上级控制设备发送监测到的信息（包括角度和圈数）及故障信息。主要由旋转变压器?数字转换电路、电源电路、单片机和CAN接口转换电路组成。整个系统组成如图1所示。

1.2 芯片选型

单片机选用Silabs公司的C8051F504型MCU，具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核，主要特性如下：全速、非侵入式的在系统In?system调试接口；集成CAN控制器，兼容CAN2，0A和CAN2，0B协议； LIN2，1外围设备（完全向后兼容，主从模式）；12位200 KSPS的32通道ADC，带模拟多路器；高精度可编程的24 MHz内部振荡器，全温度范围内精度指标可达0.5%；32 KB的片内FLASH存储器；4个通用的16位定时器；片内上电复位，VDD监视器和温度传感器[5]。

2 高精度旋转变压器?数字转换的设计

2.1 系统模型

旋转变压器?数字转换电路的设计指标为16位，静态角精度达2.4′。通过设计电路实现输入模拟轴角信号θ与要实现的数字轴角信号β进行求差运算得到[sin（θ-β）]当在要求的精度范围内[sin（θ-β）≈0]则认为数字角度β与模拟角度θ相等[6]，从而通过反馈逼近的方法[7]实现了高精度的轴角?数字的转换。由自动控制原理可以知道要实现系统在动态跟踪目标的时候保证最高的跟踪精度，总体的电路系统应该是个二型伺服回路系统，在输入为阶跃信号、匀速转动信号时的稳态误差为零[8]，初步建模见图2。

根据劳斯稳定判据可得：特征方程式缺项，控制系统不稳定。因此，下一步的设计关键是：如何在积分环节中加入适当的校正元件，不影响系统的类型数，又能保证闭环系统的稳定性。采用带惯性的PD控制器作为校正环节提高系统的动态性能指标，加入校正环节后的控制系统的模型如图3所示。

从图4可以看出，当a值较小时，最大超前相移很小，校正作用不大；当a的取值介于5和20之间时，超前相移增加很快，超前校正作用显著；当a值大于20时，相移随a值增加的变化很小。因此，校正参数采用[5≤a≤20]。则有[5≤T1T2≤20]。

3 CAN总线电路设计

3.1 电路原理图

典型的CAN总线电路包含CAN控制器和收发器。本文设计的电路包括CAN控制器、隔离电路、收发器和保护电路。电路原理图如图5所示。CAN控制器集成在单片机C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B协议，同时支持11位和29位识别码，位速率可达1 Mb/s。CAN总线收发器选用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 标准，高速率（适合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范围），低电磁辐射EME，具带有宽输入范围的差动接收器可抗电磁干扰EMI，没有上电的节点不会对总线造成干扰，发送数据TXD 控制超时功能，发送器不使能时工作在静音模式，在暂态时自动对总线引脚进行保护，输入级与3.3 V器件兼容，热保护，对电源和地的防短路功能，可以连接至少110 个节点[9]。

3.2 设计要点

（1） 隔离电路。为了增强变送器在CAN总线中的抗干扰能力，单片机CAN端口CRX和CTX没有直接连接到TJA1050的RXD和TXD引脚上，而是在中间增加了电源隔离和信号隔离电路，通过高速磁隔离芯片ADUM1201将单片机CAN接口与收发器TJA1050连接起来，从而实现了总线上各个节点之间的电气隔离。

（2） 保护电路。在收发器与CAN总线连接部分，设计了保护电路，图5中ZJYS80为共轭电感与C22和C23一起构成LC滤波器，用于提高变送器防电磁干扰能力，电容器C22，C23滤除总线上的高频干扰[10]，共轭电感ZJYS80扼制共模干扰电流，避免电感在流过较大电流时发生饱和。CAN总线串联的电阻R3，R4，限制CAN总线中电流，防止CAN总线接口器件因过流冲击而损坏。在CAN总线的输入端设置了两个瞬态抑制二极管，出现静电、雷击或其他瞬变干扰时，通过瞬态二极管的放电可以起到保护内部电路的作用。

4 软件设计

单片机软件用C语言编写程序流程框图见图6，主要实现功能如下：

（1） 定时禁止轴角?数字转换模块输出数据刷新，从数字总线读取16位数字绝对角度量，并计算圈数。

（2） 从铁电存储器处读取零点角度和圈数，用绝对角度量和圈数减去零点角度和圈数，得到相对的角度量和圈数。

（3） 响应CAN接收中断，判断信息指令类型，做出相应的处理，通过CAN接口将信息数据发送出去。

（4） 断电前往存储器写入角度位置和圈数，每次上电时读取角度位置。

5 测试数据

为了验证角度变送器性能指标是否满足设计要求，对主要指标进行了测试验证。

（1） 角精度。精度设计指标为2.4′，实际测试为1.7′，具体测试数据见表1。

（2） CAN功能。为了验证CAN总线网络的可靠性、正确性和灵活性，使用CAN总线分析仪从物理层到数据链路层进行了全方位、多层次的测试，测试项目和结果见表2和图7。

6 结 语

讨论基于CAN总线的高精度角度变送器的设计与实现，以C8051F504为核心，实现了旋转变压器?数字的高精度转换，经测试验证，其性能指标完全满足设计要求，可广泛应用于高精度的工业控制系统，具有很高的实用价值。

参考文献

[1] [德] ZELTWANGER Holger.现场总线CANopen设计与应用[M].周立功，黄晓清，严寒亮，译.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[2] 吴卫国，陈大科.一种采用PCI软核的轴角数据采集系统[J].现代电子技术，2013，36（9）：109?111.

[3] 杨春杰.CAN总线技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 邓婕.CAN总线通信原理分析[J].电子设计工程，2012（7）：23?25.

[5] Silicon Labs， C8051F50x?F51x [M]. Texas： Silicon Labs， 2011，

[6] 鲁迎春，陈凌涛.高精度自整角机轴角测量系统设计[J].微电机，2011（4）：47?49.

[7] 徐大林，李云飞.一种高精度全数字跟踪型轴角?数字转换系统[J].微电机，2009，42（1）：32?35.

[8] 李云飞，夏伟.一种高精度、多通道的角度位置指示器[J].电子测量技术，2011，34（1）：18?21.

[9] Philips Semiconductors. TJA1050 high speed CAN transceiver [R/OL]， [2003?10?22]. http：//www，semiconductors，philips，com.

[10] 杨晶.CAN总线接口电路设计[J].办公自动化，2010（2）：34?36.

3 CAN总线电路设计

3.1 电路原理图

典型的CAN总线电路包含CAN控制器和收发器。本文设计的电路包括CAN控制器、隔离电路、收发器和保护电路。电路原理图如图5所示。CAN控制器集成在单片机C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B协议，同时支持11位和29位识别码，位速率可达1 Mb/s。CAN总线收发器选用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 标准，高速率（适合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范围），低电磁辐射EME，具带有宽输入范围的差动接收器可抗电磁干扰EMI，没有上电的节点不会对总线造成干扰，发送数据TXD 控制超时功能，发送器不使能时工作在静音模式，在暂态时自动对总线引脚进行保护，输入级与3.3 V器件兼容，热保护，对电源和地的防短路功能，可以连接至少110 个节点[9]。

3.2 设计要点

（1） 隔离电路。为了增强变送器在CAN总线中的抗干扰能力，单片机CAN端口CRX和CTX没有直接连接到TJA1050的RXD和TXD引脚上，而是在中间增加了电源隔离和信号隔离电路，通过高速磁隔离芯片ADUM1201将单片机CAN接口与收发器TJA1050连接起来，从而实现了总线上各个节点之间的电气隔离。

（2） 保护电路。在收发器与CAN总线连接部分，设计了保护电路，图5中ZJYS80为共轭电感与C22和C23一起构成LC滤波器，用于提高变送器防电磁干扰能力，电容器C22，C23滤除总线上的高频干扰[10]，共轭电感ZJYS80扼制共模干扰电流，避免电感在流过较大电流时发生饱和。CAN总线串联的电阻R3，R4，限制CAN总线中电流，防止CAN总线接口器件因过流冲击而损坏。在CAN总线的输入端设置了两个瞬态抑制二极管，出现静电、雷击或其他瞬变干扰时，通过瞬态二极管的放电可以起到保护内部电路的作用。

4 软件设计

单片机软件用C语言编写程序流程框图见图6，主要实现功能如下：

（1） 定时禁止轴角?数字转换模块输出数据刷新，从数字总线读取16位数字绝对角度量，并计算圈数。

（2） 从铁电存储器处读取零点角度和圈数，用绝对角度量和圈数减去零点角度和圈数，得到相对的角度量和圈数。

（3） 响应CAN接收中断，判断信息指令类型，做出相应的处理，通过CAN接口将信息数据发送出去。

（4） 断电前往存储器写入角度位置和圈数，每次上电时读取角度位置。

5 测试数据

为了验证角度变送器性能指标是否满足设计要求，对主要指标进行了测试验证。

（1） 角精度。精度设计指标为2.4′，实际测试为1.7′，具体测试数据见表1。

（2） CAN功能。为了验证CAN总线网络的可靠性、正确性和灵活性，使用CAN总线分析仪从物理层到数据链路层进行了全方位、多层次的测试，测试项目和结果见表2和图7。

6 结 语

讨论基于CAN总线的高精度角度变送器的设计与实现，以C8051F504为核心，实现了旋转变压器?数字的高精度转换，经测试验证，其性能指标完全满足设计要求，可广泛应用于高精度的工业控制系统，具有很高的实用价值。

参考文献

[1] [德] ZELTWANGER Holger.现场总线CANopen设计与应用[M].周立功，黄晓清，严寒亮，译.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[2] 吴卫国，陈大科.一种采用PCI软核的轴角数据采集系统[J].现代电子技术，2013，36（9）：109?111.

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[4] 邓婕.CAN总线通信原理分析[J].电子设计工程，2012（7）：23?25.

[5] Silicon Labs， C8051F50x?F51x [M]. Texas： Silicon Labs， 2011，

[6] 鲁迎春，陈凌涛.高精度自整角机轴角测量系统设计[J].微电机，2011（4）：47?49.

[7] 徐大林，李云飞.一种高精度全数字跟踪型轴角?数字转换系统[J].微电机，2009，42（1）：32?35.

[8] 李云飞，夏伟.一种高精度、多通道的角度位置指示器[J].电子测量技术，2011，34（1）：18?21.

[9] Philips Semiconductors. TJA1050 high speed CAN transceiver [R/OL]， [2003?10?22]. http：//www，semiconductors，philips，com.

[10] 杨晶.CAN总线接口电路设计[J].办公自动化，2010（2）：34?36.

3 CAN总线电路设计

3.1 电路原理图

典型的CAN总线电路包含CAN控制器和收发器。本文设计的电路包括CAN控制器、隔离电路、收发器和保护电路。电路原理图如图5所示。CAN控制器集成在单片机C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B协议，同时支持11位和29位识别码，位速率可达1 Mb/s。CAN总线收发器选用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 标准，高速率（适合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范围），低电磁辐射EME，具带有宽输入范围的差动接收器可抗电磁干扰EMI，没有上电的节点不会对总线造成干扰，发送数据TXD 控制超时功能，发送器不使能时工作在静音模式，在暂态时自动对总线引脚进行保护，输入级与3.3 V器件兼容，热保护，对电源和地的防短路功能，可以连接至少110 个节点[9]。

3.2 设计要点

（1） 隔离电路。为了增强变送器在CAN总线中的抗干扰能力，单片机CAN端口CRX和CTX没有直接连接到TJA1050的RXD和TXD引脚上，而是在中间增加了电源隔离和信号隔离电路，通过高速磁隔离芯片ADUM1201将单片机CAN接口与收发器TJA1050连接起来，从而实现了总线上各个节点之间的电气隔离。

（2） 保护电路。在收发器与CAN总线连接部分，设计了保护电路，图5中ZJYS80为共轭电感与C22和C23一起构成LC滤波器，用于提高变送器防电磁干扰能力，电容器C22，C23滤除总线上的高频干扰[10]，共轭电感ZJYS80扼制共模干扰电流，避免电感在流过较大电流时发生饱和。CAN总线串联的电阻R3，R4，限制CAN总线中电流，防止CAN总线接口器件因过流冲击而损坏。在CAN总线的输入端设置了两个瞬态抑制二极管，出现静电、雷击或其他瞬变干扰时，通过瞬态二极管的放电可以起到保护内部电路的作用。

4 软件设计

单片机软件用C语言编写程序流程框图见图6，主要实现功能如下：

（1） 定时禁止轴角?数字转换模块输出数据刷新，从数字总线读取16位数字绝对角度量，并计算圈数。

（2） 从铁电存储器处读取零点角度和圈数，用绝对角度量和圈数减去零点角度和圈数，得到相对的角度量和圈数。

（3） 响应CAN接收中断，判断信息指令类型，做出相应的处理，通过CAN接口将信息数据发送出去。

（4） 断电前往存储器写入角度位置和圈数，每次上电时读取角度位置。

5 测试数据

为了验证角度变送器性能指标是否满足设计要求，对主要指标进行了测试验证。

（1） 角精度。精度设计指标为2.4′，实际测试为1.7′，具体测试数据见表1。

（2） CAN功能。为了验证CAN总线网络的可靠性、正确性和灵活性，使用CAN总线分析仪从物理层到数据链路层进行了全方位、多层次的测试，测试项目和结果见表2和图7。

6 结 语

讨论基于CAN总线的高精度角度变送器的设计与实现，以C8051F504为核心，实现了旋转变压器?数字的高精度转换，经测试验证，其性能指标完全满足设计要求，可广泛应用于高精度的工业控制系统，具有很高的实用价值。

参考文献

[1] [德] ZELTWANGER Holger.现场总线CANopen设计与应用[M].周立功，黄晓清，严寒亮，译.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[2] 吴卫国，陈大科.一种采用PCI软核的轴角数据采集系统[J].现代电子技术，2013，36（9）：109?111.

[3] 杨春杰.CAN总线技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 邓婕.CAN总线通信原理分析[J].电子设计工程，2012（7）：23?25.

[5] Silicon Labs， C8051F50x?F51x [M]. Texas： Silicon Labs， 2011，

[6] 鲁迎春，陈凌涛.高精度自整角机轴角测量系统设计[J].微电机，2011（4）：47?49.

[7] 徐大林，李云飞.一种高精度全数字跟踪型轴角?数字转换系统[J].微电机，2009，42（1）：32?35.

[8] 李云飞，夏伟.一种高精度、多通道的角度位置指示器[J].电子测量技术，2011，34（1）：18?21.

[9] Philips Semiconductors. TJA1050 high speed CAN transceiver [R/OL]， [2003?10?22]. http：//www，semiconductors，philips，com.

[10] 杨晶.CAN总线接口电路设计[J].办公自动化，2010（2）：34?36.