基于CAN总线的路高精度数据采集节点的设计

1、本科生课程设计（论文）I目 录第 1 章 绪论 .11.2 该课题研究的主要内容内容.1第 2 章 课程设计的方案 .22.1 概述 .22.2 系统组成总体结构 .2第 3 章 系统硬件设计 .33.1 单片机的最小系统 .33.2 传感器的选型及信号调理电路 .43.2.1 多路开关 .63.3 CAN 通信接口电路.63.3.1 CAN 总线控制器.63.3.2 CAN 总线控制器.63.3.3 光电隔离 .73.4 系统的总图 .8第 4 章 软件设计 .94.1 程序流程图 .94.2 系统程序 .9第 5 章 课程设计总结 .13参考文献 .14本科生课程设计（论文）1第 1 章

2、绪论1.1 研究背景及其目的意义 近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。20 世纪 90 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS） 。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。尽管现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集

3、技术的发展方向得到了迅速的发展，而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡，把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件，就能实现数据采集功能，但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相较于数据采集板卡成本和功能的限制，单片机具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点，而双单片机又具有精度较高、转换速度快、能够对多点同时进行采集，因此能够开发出能满足实际应用要求的、电路结构简单的、可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。1.2 该课题研究的主要内容内容本文介绍的是 16 路数据采集系统的设计与应用，这个系统的基础是数据采集系统。

4、本文首先根据设计的要求，使采集系统在功能上具体化，细致化，实现16 数据采集系统的设计要求。本系统可实现 16 路输入模拟信号的采集，然后根据需求将模拟信号中的任一路进行模数转化，这样就实现数据采集功能的要求。本文采用 MSP430 作为核心控制部件，本系统由传感器、信号调理电路、多路切换电路、A/D 转换、单片机、CAN 收发器、CAN 控制器这几个部件组成。本科生课程设计（论文）2第 2 章 课程设计的方案2.1 概述CAN 总线为多主方式工作，网络上任意一点可以在任意时刻主动的向网络上发送信息，而不分主从，但实际应用中经常把它设计成主从方式。本设计采用分布式模块化体系统结构，主要由上位机

5、、多个数据采集点、CAN 总线网络组成。上位机作为整个数据采集系统的主节点，用于接收系统运行中传感器传输的信息。本设计中采用的分布式数据采集系统有利于增加或减少数据采集节点，对原有的CAN 网络或节点不会产生影响。2.2 系统组成总体结构数据采集点的关键技术在于传感器与 CAN 接口一体化。数据采集点的硬件主要由微处理器、信号调整电路、传感器及 CAN 接口电路等。传感器输出的模拟信号经信号调整电路后输送给微处理器，并通过 A/D 转化成数字信号，进行必要的数据处理。微处理器根据上位机的命令将数据经 CAN 接口电路传输到 CAN总线上或将采集到的信号储存在微处理器的储存器中，以满足某些特殊场

6、合传感器数据部能及时传回的情况，方便时候分析和方波再现。由上述分析微处理器是数据采集的核心，负责采集数据和 CAN 控制器的初始化，通过控制 CAN 控制器实现数据通信的接受和发送等通信功能。本设计才用的单片机是 MSP430F149。传感器信号调理A/D转换CAN控制器微处理器光电隔离CAN收发器图 2.1 系统结构框图本科生课程设计（论文）3第 3 章 系统硬件设计3.1 单片机的最小系统单片机按内部数据通道的宽度，可分为 4 位、8 位、16 位及 32 位单片机。它们被应用在不同领域里，8 位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。美国德州仪器公司（T

7、I）于 1996 年推出的MSP430 系列单片机是 16 位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器，内部集成了多种模拟电路模块、数字电路模块，能够满足多种实际应用。微处理器是整个数据采集节点的核心，负责采集数据和CAN控制器的初始化，通过控制CAN控制器实现数据的发送和接收等通信任务。本设计的微处理器采用TI公司的MSP430F149型单片机，该型单片机体积小，功耗低，具有丰富的片上模块：48个可独立编程的IO、l2位ADC、3个16位定时器、60KB的Flash存储器、2KB的RAM，完全满足设计要求。MSP430F149单片机最小系统如图3.1所示。123456ABCD654321DC

8、BATitleNumberRevisionSizeBDate:25-Dec-2013Sheet of File:C:UsersDEL LDesktop业业业业业业 业业sdasdasdasdasdMyDesignBACKUP31.DDBDrawn By:C130pFDVcc1P6.32P6.43P6.54P6.65P6.76NC7XIN8XOUT/TCLK9NC10NC11P1.0/TACLK12P1.1/TA013P1.2/TA114P1.3/TA215P1.4/SMCLK16AVcc64DVss63AVss62P6.261P6.160P6.059RST/NMI58TCK57TMS56TD1

9、55TD0/TD154XT2IN53XT2OUT52P5.7/TB outH51P5.6/ACLK50P5.5/SMCLK49P1.5/TA017P1.6/TA118P1.7/TA219P2.0/ACLK20P2.1/TAINCLK21P2.2/CAOUT/TA022P2.3/CA0/TA123P2.4/CA1/TA224P2.5/Rosc25P2.626P2.7/TA027P3.0/STE028P3.1/SIMO029P3.2/SOMI030P3.3/UCLK031P3.4/UTXD032P3.5/URXD033P3.634P3.735P4.0/TB036P4.1/TB137P4.2/TB2

10、38P4.339P4.440P4.541P4.642P4.7/TBCLK43P5.044P5.145P5.246P5.347P5.4/MCLK48MSP430F149S18MHzC1C2C3R132.768K3.3V图 3.1 MSP430F149 单片机最小系统本科生课程设计（论文）43.2 传感器的选型及信号调理电路测量 0100温度信号的传感器用 AD590 集成温度传感器，测量范围：-50150，该器件精度较高，全温度范围内，非线性误差仅为03，可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为 1AK，即该器件在 27315 K(0)时输出 27315 A 电流，温度每升高 1电流增加 1A；

11、反映温度的是电流信号，因此需要将电流转换成电压信号后进行信号放大和电平抬升。 AD590 是集成温度传感器，输出为电流，相当于恒流源，若要对此进行放大需先转换为电压，可在其回路串入电阻，根据欧姆定律，电阻上电压的大小可反映电流的大小，也就是温度的高低。下图是温度传感器 AD590 的信号调理电路。图 3.1 温度调理电路压力传感器选择 TEYB，测量范围 035MPa。用一个恒压源或横流源激励电桥产生一个电信号。这种信号通常很微弱，并且受到噪声、失调和增益误差的影向。在对电桥的输出信号数字化处理之前，必须将其进行放大和失调处理以便和数模转换器的测量范围想拼配。然后在滤除噪声。要精确的从高工模电

12、压检测出微弱的差分电压，放大器要有高的共模抑制比。压力传感器的调理电路如图本科生课程设计（论文）5图3.3压力调理电路位移传感器选择TWR，测量范围0700mm，输出420mA。TWR系列位移传感器是一种非接触型传感器,其传感元件由螺线管线圈与磁芯构成，磁芯位置变化通过电子调节电路输出相应标准直流电压或电流。传感器两端为万向节结构，适用于同心度需要调节的安装条件。图3.4位移传感器调理电路力传感器选择德国 HBM U9B力传感器，测量范围为0-100N。专门用来设计测量范围较小的力。其精度可达0.02，并且具有极高的测量不确定性。它的调理电路与压力传感器的相同，在这里就不在说了。本科生课程设计

13、（论文）63.2.1 多路开关 也称为多路转换器，作用是将输入信号按一定顺序或随机地接到放大器或采样保持器。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时电阻为零。此外，还希望它切换速度快，噪音小，寿命长，工作可靠。 在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，有 8 通道、16 通道、甚至 32 通道的。常用的多路开关有MAX306、CD4051(或 MC14051)、AD7501、LF13508 等。本设计选择 AD7506，为 CMOS 工艺单片集成 16 选一多路模拟开关，在某一时刻，16 路输入通道只有一路与输出通道接通，其余各路均与输出通道断开，选择通道根据地址、编码而得。0A1A2A3

14、A3.3 CAN 通信接口电路3.3.1 CAN 总线控制器PHIL IPS 公司的 PCA82C200 是符合 CAN2.0A 协议的总线控制器，SJA1000 是它的代替品，它是应用于汽车和一般工业环境的独立 CAN 总线控制器。具有完成CAN 通信协议的所有要求的全部特性。经过简单总线连接的 SJA10000 可完成 CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能。其硬件设计和软件设计和 PCA82C200 的基本 CAN 模式兼容。同时新增加的 CAN 模式还支持 CAN2.0B 通信协议。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26

15、-Dec-2013Sheet of File:C:UsersDEL LDesktop业业业业业业 业业sdasdasdasdasdMyDesignBACKUP3.DDBDrawn By:GND1DQ2VCC3DS18B20VCCP1.7AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CSALE/ASWR(RD)/ECLKOUTINTTX0TX1RX0RX1MODEVdd1Vdd2Vdd3Vss1Vss2Vss3XTAL1XTAL2RSTSJA1000C130pFC230pFY112MHzVCCR1390R2390VCCRSTCANP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7

16、P4.0ALEWRRDP1.0P1.0图 3.4 控制器 SJA10003.3.2 CAN 总线控制器TJA1050 收发器是 Philips 公司生产的、用以替代 PCA82C250 的高速的CAN 总线收发器。该器件提供了 CAN 控制器与物理总线之间的接口以及对 CAN本科生课程设计（论文）7总线的差动发送和接收功能。TJA1050 与 ISO11898 标准完全兼容，具有过热保护，总线与电源及地之间的有短路保护功能。引脚S用于选定TJA1050的工作模式。有两种工作模式可供选择：高速和静音。如果引脚S接地，则TJA1050进入高速模式。当S端悬空，其默认工作模式也是高速模式。高速模式也

17、是TJA1050的正常工作模式。如果引脚S接高电平，则TJA1050进入静音模式，在这种模式下，发送器被关闭，器件的所有其它部分仍继续工作。该模式可以防止由于CAN控制器失控而造成网络阻塞。3.3.3 光电隔离现场开关与计算机输入接口之间一般有较长的传输线路，容易引入强电和干扰，因此信号输入端多采用具有安全保护和抗干扰双重作用的隔离电路，对此一般采用光耦合电路。光耦合以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰能力强的特点。此次采用高速光耦 6N137。CAN通信接口电路口 主要由CAN控制器SJA1000、CAN收发器TJA1050等组成。微处理器MSP43

18、0F449负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的发送与接收。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与TJA1050的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137后与TJA1050相连，这样就很好地实现了总线上各CAN节点的电器隔离 。这里需要注意，采用光电隔离必须保证光电隔离器件两端所加电源和地完全隔离，否则光电隔离将失去应有的作用。MSP430F449的Pl口与P2口具有中断功能，SJA1000的中断输出引脚INT#与P20相连。为了能够让MSP430正确检测到下降沿的中断信号，所以在该端口上加上了上拉电阻。图 3.5 通信接口电

19、路图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26-Dec-2013Sheet of File:C:UsersDEL LDesktop业业业业业业 业业sdasdasdasdasdMyDesignBACKUP3.DDBDrawn By:AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CSALE/ASWR(RD)/ECLKOUTINTTX0TX1RX0RX1MODEVdd1Vdd2Vdd3Vss1Vss2Vss3XTAL1XTAL2RSTSJA1000TXDRXDVrefVCCCanHCanLRSGNDTJA1050C130pFC230pF

20、Y112MHzVCCR347KR4120R1390R239012345678VCCRSTCANP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P4.0ALEWRRDP1.0P1.0CANHCANLNCVDDINNCVCCENOUTGND6N137本科生课程设计（论文）83.4 系统的总图图 3.6 总体电路图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Dec-2013Sheet of File:C:UsersDELLDesktop业业业业业业 业业sdasdasdasdasdMyDesignBACKUP35.DDBDr

21、awn By:AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7CSALE/ASWR(RD)/ECLKOUTINTTX0TX1RX0RX1MODEVdd1Vdd2Vdd3Vss1Vss2Vss3XTAL1XTAL2RSTSJA1000TXDRXDVrefVCCCanHCanLRSGNDTJA1050C1 30pFC2 30pFY112MHzVCCR3 47KR4120R1390R239012345678VCCRSTCANDVcc1P6.32P6.43P6.54P6.65P6.76NC7XIN8XOUT/TCLK9NC10NC11P1.0/TACLK12P1.1/TA013P1.2/TA114P1

22、.3/TA215P1.4/SMCLK16AVcc64DVss63AVss62P6.261P6.160P6.059RST/NMI58TCK57TMS56TD155TD0/TD154XT2IN53XT2OUT52P5.7/TB outH51P5.6/ACLK50P5.5/SMCLK49P1.5/TA017P1.6/TA118P1.7/TA219P2.0/ACLK20P2.1/TAINCLK21P2.2/CAOUT/TA022P2.3/CA0/TA123P2.4/CA1/TA224P2.5/Rosc25P2.626P2.7/TA027P3.0/STE028P3.1/SIMO029P3.2/SOMI0

23、30P3.3/UCLK031P3.4/UTXD032P3.5/URXD033P3.634P3.735P4.0/TB036P4.1/TB137P4.2/TB238P4.339P4.440P4.541P4.642P4.7/TBCLK43P5.044P5.145P5.246P5.347P5.4/MCLK48MSP430F149S18MHzC1C2C3R132.768K3.3VP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P4.0ALEWRRDP1.0P1.0CANHCANLINVDDVCCENOUTGND6N137VDDA3A0A1A2NCGNDS9S10S11S12S13S14S

24、15S16NCNCVDDENS1S2S3S4S5S6S7S8VSSOUTVCCR?RES2AD7506本科生课程设计（论文）9本科生课程设计（论文）10第 4 章 软件设计4.1 程序流程图开始MSP430初始化SJA100初始化初始化成功初始化A/D模块Y等待上位机命令上位机发出采集命令采集数据并做相应处理将采集数据发送到CAN总线上采集结束？结束NNYNY4.2 系统程序INITIALIZE： 初始化子程序初始化子程序 LDB AL, #09H； 初始化模式寄存器进入复位模式 STB AL, MODE； 选择单滤波方式 LDB AL, #88H； 时钟分频器STB AL, CDR； 选 P

25、eli CAN 模式 本科生课程设计（论文）11LDB AL, #00H STB AL, ACR0； 初始化接收代码寄存器 LDB AL, #60H STB AL, ACR1 LDB AL, #00H STB AL, AMR0； 初始化接屏蔽寄存器 LDB AL, #3FH； 只接收标识符为 2，3 的报文 STB AL, AMR1 LDB AL, #8FH STB AL, IER； 中断使能寄存器 LDB AL, #01H； 总线定时寄存器 0、1 的设置 STB AL, BTR0； LDB AL, #1CH； 在 16MHz 晶振情况下 STB AL, BTR1； 波特率设置为 250 L

26、DB AL, #0AAH STB AL, OCR； 输出控制器寄存器设置 LDB AL, #0H； 接收缓存器起始地址设为 0 STB AL, RBSA； LDB AL, #01H； ORB AL, MODE； STB AL, MODE； 返回工作模式 RET本科生课程设计（论文）12 TRANSMIT：；：； 发送子程序发送子程序 LDB AL, SR SRCVE: JBS AL,4, SRCVE；正接收 STRSV: JBC AL,3, STRSV；发送成功 STBF: JBC AL, 2, STBF； 发送缓存器锁定否 WID: LDB AL, #08H LD BX, #TXB；发送缓存

27、的首址 STB AL,BX+；传送两个字节的标识符 LDB AL,#ID0 STB AL,BX+ LDB AL,#ID1 STB AL,BX+ LDB COUT,#08H；8 个字节数据 TDATA: LDB AL,DATA+ CPU 内的发送数据缓存区首址 STB AL,BX+； DJNZ COUT,TDATA； 8 个字节发完否？ CAN总线发送读取状态寄存器发送缓冲区写入报文至发送缓冲区启动发送请求，发送数据结束NYCAN总线中断接收读取中断寄存器接收中断读取接收缓冲区释放接收缓冲区接收缓冲区空中断返回NYNY本科生课程设计（论文）13LDB AL,#01H； STB AL,CMR； 发

28、送 RETRECEIVE： ； 接收中断程序接收中断程序 PUSHF； 保护现场 LDB AL,IR JBC AL,0,OTHER； 接收中断否？ LD BX,#RXB； 接收缓存器首址 LDB AL,BX+ JBC AL,6,RCDATA；标识符的 RTR=1？ LDB AL,#04H； 是远程帧,释放接收缓存区 STB AL,CMR； LCALL TRANSMIT； 相应远程帧,发送相应数据 SJMP BACK RCDATA： ANDB AL,#0FH； 取低四位数据长度 ADDB AL,#03H； STB AL,R1； 该报文含有的字节数 LD BX,#RXB； 接收缓存器的首地址 LD CX,#CRBF； CPU 内的接收数据缓存区首址 RECE： LDB AL,BX+ STB AL,CX+ INCB R1 DJNZ R1,RECE；接收完否？ LDB AL,#04H STB AL,CMR； 释放接收缓存区 BACK； POPF RET本科生课程设计（论文）14本科生课程设计（论文）15第 5 章 课程设计总结本次设计以 M