基于CAN总线的路高精度数据采集节点的设计

本科生课程设计（论文）PAGEI目录TOC\o"1-3"\f\h\z11505第1章绪论 1117391.2该课题研究的主要内容内容 120060第2章课程设计的方案 2208722.1概述 2283322.2系统组成总体结构 225911第3章系统硬件设计 345733.1单片机的最小系统 3114043.2传感器的选型及信号调理电路 4180013.2.1多路开关 662653.3CAN通信接口电路 6278483.3.1CAN总线控制器 6214973.3.2CAN总线控制器 6257913.3.3光电隔离 7182563.4系统的总图 826912第4章软件设计 9201184.1程序流程图 918414.2系统程序 91372第5章课程设计总结 1310774参考文献 14PAGE16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。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。

课程设计的方案概述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、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。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。图2.1系统结构框图系统硬件设计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（TI）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I／O、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。图3.1MSP430F149单片机最小系统传感器的选型及信号调理电路测量0~100℃温度信号的传感器用AD590集成温度传感器，测量范围：-50～150℃，该器件精度较高，全温度范围内，非线性误差仅为±0．3℃，可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1μA／K，即该器件在273．15K(0℃)时输出273．15μA电流，温度每升高1℃电流增加1μA；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0~35MPa。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图3.3压力调理电路位移传感器选择TWR，测量范围0~700mm，输出4~20mA。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HBMU9B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。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。CAN通信接口电路CAN总线控制器PHILIPS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。图3.4控制器SJA1000CAN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。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MSP430F449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P2．0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通信接口电路图系统的总图图3.6总体电路图软件设计程序流程图系统程序 INITIALIZE：初始化子程序

LDBAL,#09H；初始化模式寄存器进入复位模式

STBAL,MODE；选择单滤波方式

LDBAL,#88H；时钟分频器

STBAL,CDR；选PeliCAN模式

LDBAL,#00H

STBAL,ACR0；初始化接收代码寄存器

LDBAL,#60H

STBAL,ACR1

LDBAL,#00H

STBAL,AMR0；初始化接屏蔽寄存器

LDBAL,#3FH；只接收标识符为2，3的报文

STBAL,AMR1

LDBAL,#8FH

STBAL,IER；中断使能寄存器

LDBAL,#01H； 总线定时寄存器0、1的设置

STBAL,BTR0；

LDBAL,#1CH； 在16MHz晶振情况下

STBAL,BTR1； 波特率设置为250

LDBAL,#0AAH

STBAL,OCR；输出控制器寄存器设置

LDBAL,#0H；接收缓存器起始地址设为0

STBAL,RBSA；

LDBAL,#01H；

ORBAL,MODE；

STBAL,MODE；返回工作模式

RETTRANSMIT：；发送子程序

LDBAL,SR

SRCVE:JBSAL,4,SRCVE；正接收

STRSV:JBCAL,3,STRSV；发送成功

STBF:JBCAL,2,STBF；发送缓存器锁定否

WID:LDBAL,#08H

LDBX,#TXB；发送缓存的首址

STBAL,[BX]+；传送两个字节的标识符

LDBAL,#ID0

STBAL,[BX]+

LDBAL,#ID1

STBAL,[BX]+

LDBCOUT,#08H；8个字节数据

TDATA:LDBAL,[DATA]+CPU内的发送数据缓存区首址

STBAL,[BX]+；

DJNZCOUT,TDATA；8个字节发完否？

LDBAL,#01H；

STBAL,CMR；发送

RETRECEIVE：；接收中断程序

PUSHF；保护现场

LDBAL,IR

JBCAL,0,OTHER；接收中断否？

LDBX,#RXB；接收缓存器首址

LDBAL,[BX]+

JBCAL,6,RCDATA；标识符的RTR=1？

LDBAL,#04H；是远程帧,释放接收缓存区

STBAL,CMR；

LCALLTRANSMIT；相应远程帧,发送相应数据

SJMPBACK

RCDATA：

ANDBAL,#0FH；取低四位数据长度

ADDBAL,#03H；

STBAL,R1；该报文含有的字节数

LDBX,#RXB；接收缓存器的首地址

LDCX,#CRBF；CPU内的接收数据缓存区首址

RECE：

LDBAL,[BX]+

STBAL,[CX]+

INCBR1

DJNZR1,RECE；接收完否？

LDBAL,#04H

STBAL,CMR；释放接收缓存区

BACK；

POPF

RET课程设计总结本次设计以MSP430单片机为核心，通过模数转换芯片将被测信号转化为数字信号，经单片机内部处理后通过收发器发送出去。设计表明系统性能良好、更新速度合理。通过该多路采集系统，由相同的模块电路和不同的开关地址选通不同的模块，实现对多路模拟信号的采集、转换化和传送。由于系统对采集速度和采集精度不高，故分析结果数据存在一定误差，采集量也不大，且只能实现异步数据采集，所以还需要进一步改进。数据采集系统是科学实验中重要的测量环节，通常由信号调理、A/D转换、数据储存、数据分析等模块组成。随着计算机与数据