基于CAN总线的多信息量测试系统硬件设计

本科生毕业设计（论文）基于CAN总线的多信息量测试系统硬件设计HardwareDesignofMulti-informationTestSystemBasedonCANBus总计：毕业设计（论文）25页表格：0个插图：20幅学院（系）：电子与电气工程系专业：电子信息工程基于CAN总线的多信息量采集[摘要]基于CAN总线的多信息量采集系统是由数据采集模块和数据传输模块两部分组成。数据采集系统由相应的传感器和数据转换电路组成。采用89C51单片机控制MAX197A/D转换器芯片工作，并存储转换结果。在数据传输模块中，单片机利用CAN总线传送数据，CAN总线上的数据经过USB-CAN转换器传送到上位机中。89C51负责整个转换器的监控任务以及CAN总线与USB的通信任务。CAN控制器接口电路由CAN通信控制器SJA1000和CAN收发器89C250组成，通过采用中断的方式来接收USB与CAN总线的报文。[关键词]CAN总线；单片机；转换；数据采集；HardwareDesignofMulti-informationTestSystemBasedonCanBusAbstract:Multi-informationtestsystembasedoncanbus,includingdataacquisitionanddatatransmissionmodule.Dataacquisitionsystemcomposedofcorrespondingsensorsanddataconversioncircuit.MCUcontrolA/Dconverterwork,andtheresultswerestoredinthemicrocontroller.MCUsendtheresultstoCANbus.MCUsenddatathroughCANbus,DataofCANbusthroughUSB-CANconvertertosendtothehostmachine.Converterusing89C51microcontroller,itresponsibleformonitoringtasksthroughouttheconverter,CommunicatingtaskamongCANbusandUSB.CANcontrollerinterfacecircuitcomposedofthecommunicationcontrollerSJA1000CANandCANtransceiver89C250.CANcontrollerthroughtheuseofinterruptstoreceiveUSBandCANbusmessages.Keywords:CANbus;MCU;dataconversion;acquisition;目录1引言 21.1课题背景 31.2CAN总线的概况 31.2.1现场总线简述 31.2.2CAN总线特点 31.2.3CAN总线的分层结构 42硬件电路的设计原理 52.1总体设计思路 52.2A/D转换原理的介绍 52.2.1采样和保持 52.2.2量化与编码 72.2.3A/D转换器的种类 72.3多信息量采集原理 72.4真空度测试原理 102.5铯氧源电流的测试原理 112.6光电流测试原理 122.7CAN总线与USB转换的原理 133硬件电路的模块介绍 133.1A/D器件的说明 133.3A/D转换电路的介绍 143.4多信息量测试硬件电路设计 173.5USB—CAN通信转换模块的硬件设计 183.6CH372的介绍 194硬件电路设计的注意事项 214.1USB-CAN转换电路设计 214.2A/D转换器芯片选取 214.3电源选取 22结束语 23参考文献： 24致谢 251引言1.1课题背景现场总线是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网路的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术。本课题在深入研究CAN现场总线协议后，力求能设计出符合CAN总线协议的现场智能节点模块，能够接收和处理现场信号并能将处理好的信号发送给现场控制器和现场执行器完成转换任务。本课题的最终目的是达到对现场总线控制系统的掌握和应用，并且掌握用电子硬件开发的思路和方法，培养和提高个人的独立科研及设计能力。作为现场控制系统中最为底层的设备就是现场智能I／O模块，它是完成整个控制功能的非常重要的一环，它是控制系统内部的枢纽，有着不可替代的作用。1.2CAN总线的概况1.2.1现场总线简述现场总线是指开放式、国际标准化、数字化、相互交换操作的双向传送、连接智能仪表和控制系统的通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，是信息化带动工业化和工业化推动信息化的适用技术，是能应用于各种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机。1.2.2CAN总线特点CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及其独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而一些世界著名的汽车厂商如BENZ，BMW，ROLLS．ROYCE等都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信[1]。其特点可概括如下：(1)CAN为多主方式工作，也就是说网络上的任何一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式比较灵活，而不用站点地址等节点信息。(2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输。(3)CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁的时间。(4)CAN总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。(5)CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可达lMbps(此时通信距离最长为40m)。(6)CAN上的节点主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种(CAN2．0A)，而扩展标准(CAN2．081的报文标识符几乎不受限制。(7)CAN总线采用短帧结构，传输时问短，受干扰概率小，具有极好的检错效果。(8)CAN的每帧信息都有CRC检验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。(9)CAN通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。1.2.3CAN总线的分层结构CAN遵从OSI模型，按照OSI基准模型[2]，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层，其中数据链路层包括逻辑链路层LLC和媒体访问控制层MAC。如图1所示:图1CAN总线的分层结构LLC子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧的结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点问的实际传送。CAN技术规范2．0B定义了数据链路中的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与CAN有关的外层。物理层定义了信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码元和同步的描述。MAC子层是CAN协议的核心，它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。MAC子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测标定。MAC子层有称为故障界定的一个管理实时监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理按照IEEE802．2和802．3标准，物理层划分为：(1)物理信令(PLSPhysicalSignaling),(2)物理媒体附属装置(PMAPhysicalMediumAttachment),(3)媒体相关接121(MDIMediumDep-endentInterface)。数据链路层又划分为：(1)逻辑链路控铝IJ(LLCLogicLinkContr01),(2)媒体访问控链IP(MACMediumAccessContr01)。2硬件电路的设计原理2.1总体设计思路本设计的总体设计思路是，用采集真空度，铯氧源电流，光电流传感器输出的信号先通过A/D转换，将模拟信号转换成数字信号。然后把数字信号传送给CAN收发器，使其传送到CAN总线上。在CAN总线上的数据，再通过USB-CAN总线转换电路，将采集到得数据输送的电子计算机当中。原理框图如图2所示。2.2A/D转换原理的介绍将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的[3]。2.2.1采样和保持采样是将时间连续的模拟量转换为时间上离散的模拟量，即获得某此时间点（离散时间）的模拟量值。因为，进行A/D转换需要一定的时间，在这段时间内输入值需要保持稳定，因此，必须有保持电路维持采样所得的模拟值。采样和保持通常是通过采样-保持电路同时完成的。为使采样后的信号能够还原模拟信号，根据取样定理，采样频率fS必须大于或等于2倍输入模拟信号的最高频率fImax，即两次采样时间间隔不能大于1/fS，否则将失去模拟输入的某些特征。图2总体设计框图如图3所示给出了采样-保持电路的原理图和经采样、保持后的输出波形。图中采样电子开关S受采样信号S(t)控制，定时地合上S，对保持电容CH充放电。因A1、A2接成电压跟随器，此时vO=vI。S打开时，保持电容CH因无放电回路保持釆样所获得的输入电压，输出电压亦保持不变。-+-+-+-+∞∞开关控制电路vOvICHSvI,vOOtOt图3采样-保持电路原理图2.2.2量化与编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在转换过程中还必须把采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一过程称为数值量化，简称量化。量化过程中的最小数值单位称为量化单位，用△表示。它是数字信号最低位为1，其它位为0时所对应的模拟量，即1LSB。量化过程中，采样电压不一定能被△整除，因此量化后必然存在误差。这种量化前后的不等（误差）称之为量化误差，用ε表示。量化误差是原理性误差，只能用较多的二进制位缩小量化误差。量化的近似方式有：只舍不入和四舍五入两种。只舍不入量化方式量化后的电平总是小于或近似等于量化前的电平，即量化误差ε始终大于0，最大量化误差为△，即εmax=1LSB。采用四舍五入量化方式时，量化误差有正有负，最大量化误差为△/2，即∣εmax︱=LSB/2。显然，后者量化误差小，故为大多数A/D转换器所采用。量化后的电平值为量化单位△的整数倍，这个整数用二进制数表示即为编码。量化和编码也是同时进行的。2.2.3A/D转换器的种类按工作原理不同，A/D转换器可以分为：直接型A/D转换器和间接型A/D转换器。直接型A/D转换器可直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速度快。并行比较型和逐次比较型A/D转换器属于这一类。而间接型A/D转换器先将模拟信号转换成中间量（如时间、频率等），然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。双积分型A/D转换器则属于间接型A/D转换器。本文采用的MAX197是逐次逼近型的A/D转换器。2.3多信息量采集原理在模／数转换中，一般要完成采样、量化和编码3个内容。而最重要的是如何采样数据。2.3.1采样信号的频谱

。。采样过程是通过采样脉冲序列p(t)与连续时间信号x(t)相乘来完成的，理想脉冲采样过程如图4所示。其采样序列如公式(1)所示（1）采样信号如公式(2)所示(2)x(t)X(ω)0t-ωm0ωmωp(t)P(ω)……0t-ωs0ωsωx(t)X(ω)-TS0TSt-ωs0ωsω图4理想脉冲采样过程如果有公式(3)(3)那么，根据频域卷积定理如公式(4)所示，有(4)可以证明，采样脉冲序列p(t)的频谱是间隔为ωs的周期延拓，所以，可以进一步证明如公式(5)所示(5)此式表明，一个连续信号经过理想采样以后，它的频谱将沿着频率轴每隔一个采样频率ωs,重复出现一次，即其频谱产生了周期延拓，其幅值被采样脉冲序列的傅里叶系数（Cn=1/Ts)所加权，其频谱形状不变。

2.3.2采样定理

采样定理说明了一个问题[4]，即当对时域模拟信号采样时，应以多大的采样周期（或称采样时间间隔）采样，方不致丢失原始信号的信息，或者说，可由采样信号无失真地恢复出原始信号。

(1)混叠现象

混叠现象又称频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象，如下图所示。信号x(t)的傅里叶变换为X(ω)，其频带范围为-ωm～ωm；采样信号x(t)的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为ωs，并且如公式(6)所示(6)Ts为时域采样周期。当采样周期Ts较小时，ωs＞2ωm，周期谱图相互分离如图5(b)所示；当Ts较大时，ωs＜2ωm，周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠，如图5(c)所示，此即频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。x(t)X(ω)0t0ωx(t)X(ω)0t0ωx(t)X(ω)0t0ω

图5周期谱图相互分离与混叠下面从时域信号波形来看这种情况。如图6(b)是频率正确的情况，以及其复原信号；图6(c)是采样频率过低的情况，复原的是一个虚假的低频信号。当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现象叫做频率混叠。(2)采样定理

。。上述情况表明，如果ωs＞2ωm，就不发生混叠现象，因此对采样脉冲序列的间隔Ts须加以限制，即采样频率ωs（2π／Ts）或fs(1／Ts）必须大于或等于信号x(t)中的最高频率ωm的两倍，即ωs＞2ωm，或fs＞2fm。

为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。(a)原始信号(b)采样频率正确(c)采样频率过低图6时域信号波形需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，保证对信号的频谱作逆傅里叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号xs(t)；而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。2.4真空度测试原理光电阴极激活是将原子清洁的GaAs表面与Cs2O作用形成很低的表面逸出功。所谓原子清洁表面是指除发射体本身元素之外，表面杂质的含量是单原子层覆盖的1％。根据气体分子运动论而得知，在10-4Pa气压下，晶片表面形成单原子层吸附所需要的时间约1s。10-5Pa下约需要10s。而10-8Pa下就会延长到几个小时以上。这样才可有充分的时间使GaAs原子清洁表面得以保持。不然，Cs、O激活处理以前，周围残余气体就已经以单原子层覆盖GaAs表面，NEA就不能建立。故10-8Pa以上的超高真空度就成了光电阴极激活的首要条件。激活系统用B-A规作为超高真空计（由于B-A规的测量范围是测量范围：1×10-1~5×10-8Pa），并通过一法兰将其安装在真空室的中部上方，B-A规的电源线和信号线从法兰盘用陶瓷接线柱引出。要测试真空度可以将B-A规测得的微弱真空度信号经过放大后再由A/D转换得到（由于MAX197的测量精度是12位，而测量的真空度是10-8Pa左右的所以没有超出MAX197的量程。所以不需要对真空计输出的数据进行处理），这样做相当于要重新设计一个具有通信功能的真空计，增加了研究工作量。因此对真空度的测试采用基于已有模拟式设备的信息采集方案，即在模拟设备上增加通信和数字化测试功能。测试原理方框图如图7所示。图7真空度测试原理方框图如图所示，真空度信息采集电路得到真空计上显示的真空度信息，通过CAN总线传输给USB-CAN总线转换器，最后由USB接口输入计算机。真空度测试是多信息量测控系统的一部分，考虑整个系统要同时实现多信息量的测试与控制，因此对真空度的测试方案利用现场总线（CAN总线）的技术和USB接口。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。这些特点非常符合整个系统所要实现分散仪器的多信息量测试和控制的要求。USB总线又称为通用串行总线，有4种传输模式，适用于不同的通信任务，传输速度快，而且一般计算机都具有USB接口，但其可连接的设备数较少，通信距离短，而CAN总线又称为控制器局域网总线，是一种工业测控用的现场总线，具有通信速度较快（最高到1Mbps），传输距离远，抗干扰能力强，可连接设备数目多等许多优点，是一种在汽车、工业现场和智能建筑等许多领域得到广泛应用的现场总线，但其不能直接与计算机相连，因此将USB总线与CAN总线结合起来，就能同时利用两者的优点，实现更强大而灵活的通信任务。2.5铯氧源电流的测试原理铯源电流和氧源电流在铯氧激活过程中对铯氧量进行调节的时候就能在铯图8铯源电流测试原理方框图氧调节电源上显示出来。铯源和氧源电流信号则可以采用带数字输出接口的程控电源直接得到，但要购买昂贵的数字程控电源，造成现有模拟式电源的浪费，增加成本。因此采用与真空度信息采集相同的方案，即在模拟设备上增加通信和数字化测试功能。以铯源电流测试为例，测试原理方框图如图8所示。激活实验中铯源大小是通过铯源电源来调节的，铯源电流信息采集电路得到铯源电源上显示的电流信号，通过CAN总线传输给USB-CAN总线转换器，最后由USB接口输入计算机。氧源电流测试原理与铯源电流测试相同。2.6光电流测试原理在测试光电流时先确定光源，光源波长的选择取决于阴极的种类。对于负电子亲和势GaAs光电阴极，一般认为GaAs基片在未进行表面Cs处理前，温度为0K时其禁带宽度为1.55eV，电子亲和势1.55eV，即表面逸出功为3.1eV，如公式7所示：(7)式中λ为入射光波长，单位为米（m），h为普朗克常数，其值为6.63×10-34焦耳.秒（J.S），c为光速，值为3×108光电流测试原理方框图如图9所示。卤钨灯照射阴极面产生微弱光电流，光电流经微弱信号处理、放大经模数转换后输入计算机中。图9光电流测试原理方框图2.7CAN总线与USB转换的原理USB—CAN通信转换模块是与USBl．1总线兼容的[5]，带有2路CAN总线接口，可供选用其中之一或全部，支持连接2个不同通讯速率的CAN—BUS网络。CAN通讯速率在5Kbit／s～1Mbit／s范围内可编程。CAN通讯接口符DeviceNET和CANopen标准。支持CAN2．0B(兼容CAN2．0A协议)，符合IS0／ISll898国际标准。最高供电采用USB总线供电，由USB电缆向USB—CAN通信转换模块提供+5V电源。USB—CAN通信转换模块中自带有光点隔离模块，增强了系统在恶劣环境中使用的可靠性。使其工作温度范围达到：0℃～70℃。．USB—CAN通信转换模块体积小，支持即插即用。通过安装驱动程序，可在win9x／Me、winNT4、win2000／XP操作系统中运行。转换器的微控制器采用AT89C52，负责整个转换器的监控任务以及CAN总线与USB总线的通信任务。CAN控制器接口电路由CAN通信控制器SJA1000和CAN收发器82C250组成，为了增加系统可靠性和抗干扰能力，也可在SJA1000和82C250之间增加光电耦合电路以及可在82C250与CAN总线间增加一个限流电阻[6]。而82C250驱动电路内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。虽然短路出现时功耗增加，但不至于使输出级损坏。USB控制器接口电路由USB控制器CH372来实现其功能。CH372是一个USB总线的通用设备接口芯片，在本地端，CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的微控制器通信就如同读写文件。CH372内置了USB通信中的底层协议，具有内置固件模式和外置固件模式。在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0的所有事务，本地端单片机只要负责数据交换。在外置固件模式下，由外部单片机或者DSP/MCU根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB3硬件电路的模块介绍3.1A/D器件的说明图10MAX197芯片的引脚分布本文选用MAX197，它是Maxim公司出品的多量程、8通道的12位并行A/D转换器。它是并行的A/D芯片，采用逐次逼近工作方式，内部的输入跟踪/保持电路把模拟信号转换为12位数字量输出，其并行输出口很容易与单片机接口连接。MAX197芯片很适合于作为信号采集芯片[7]。MAX197芯片的引脚分布如图10所示。引脚说明：CLK（1引脚）：时钟输入引脚。在外部时钟模式下，输入与TTL/COMS相匹配的时钟脉冲。在内部时钟模式下，在此引脚和地之间接一个电容以设置内部时钟的频率，此电容Cclk取典型值pF，内部时钟频率fclk为1.56MHz。/CS：（2引脚）：片选引脚，低电平有效。/WR：（3引脚）：当/CS为低电平时，如果工作在内部采集模式，/WR引脚的上升沿将锁住数据，并发出一个采集脉冲；如果工作在外部采集模式，/WR引脚的第一个上升沿启动一次采集，第二个上升沿结束采集并开始一次转换。/RD（4引脚）：如果/CS为低电平，/RD的下降沿将使数据总线上的一次读操作。HBEN(5引脚)：数据总线复用控制引脚，通过此输入可实现12位转换。当此引脚为高电平时，数据总线上可以通过复用得到高4位数据；当此引脚为低电平时，数据总线上只存在低8位数据。/SHDN(6引脚)：低功耗模式控制引脚，低电平有效，此时芯片进入低功耗工作状态。D7~D4(7引脚)：三态数据I/O端口。D3/D11（11引脚）：三态数据I/O端口。当HBEN=0时，输出为D3;当HBEN=1时，输出为D11。D2/D10（12引脚）、D1/D9(13引脚)、D0/D8(14引脚)同D3/D11引脚。AGND（15引脚）：模拟地。CH0~CH7(16~23引脚)：8路模拟输入通道。/INT（24引脚）：中断输出引脚，低电平有效。当转换结束。输出数据准备就绪时，此引脚变为低电平。REFADJ（25引脚）：带隙电压基准输出/外部调节引脚。连接一个0.01μF旁路电容到模拟地。当在REF引脚上采用外部基准输出电压，可以在REFADJ引脚作外部调整；VDD（27引脚）：+5V电源，通过0.1μF电容旁路至地。DGND（28引脚）：数字地。单片机是本系统的核心器件，它通过对MAX197的设置，完成对整个A/D的转换过程、方式的控制，最后读取MAX197的寄存器，完成数据的传输。本论文选用Atmel公司的AT89C52作为单片机芯片，它满足要求，而且极为常用，价格便宜，易于购买。3.3A/D转换电路的介绍A/D转换电路根据功能可划分为三个部分：单片机控制模块、电源模块、A/D采集模块[8]。单片机模块如图11所示，电源模块如图12所示，A/D模块如图13所示。图11单片机控制模块图12电源模块图13A/D采集模块U1为Atmel公司的单片机芯片AT89C52，其P1.0引脚和A/D转换器芯片MAX197的中断输出引脚/INT相连，单片机通查询此引脚的高低电平检测是否完成一次A/D转换；P1.1引脚和MAX197的HBEN引脚相连，单片机通过设置此引脚可以读取12位数据的高低位；P2.0引脚的作用是通过反向器74LS04向MAX197芯片提供片选信号ADCS；/START为外部控制引脚，它通过触发单片机的外部中断0启动A/D转换；D0~D7为8位数据线，它们和MAX197芯片对应的数据位相连。U2为6输入反向器，这里用到了其中一路，它的作用是对单片机P2.0引脚信号取反，从而提供给A/D芯片MAX197片选信号ADCS（低电平有效）。AGND是“模拟地”的网络标号，AGND通过一个0Ω的电阻R3和“数字地”DGND连接，实际上在电路板的表角处，AGND应该和“数字地”连在一起，此处用0Ω的电阻只是为了考虑原理图设计的方便。线性稳压芯片MAX8875的型号是MAX8875EUK50-T，它为A/D转换器芯片MAX197提供稳定的+5V电压ADVCC[9]；电压基准芯片MAX6192为A/D转换器芯片MAX197提供稳定的+2.5V基准电压REFVCC。MAX197工作与内部时钟模式，其CLK引脚通过一个100pF的电容接地；读/写引脚/RD、/WR和单片机AT89C52的读/写引脚分别相连；HBEN引脚由单片机控制输入，决定数据总线的复用方式，以得到12位转换结果；MAX197选择外部电压基准，REFADJ引脚接电压基准芯片产生的稳定的2.5V电压REFVCC；本论文中8路模拟输入通道只使用CH0，SIG_IN是模拟输入信号。A/D转换电路涉及模拟和数字信号，为保证最佳的性能，在印刷电路板设计时需要仔细考虑。为了减少串话和噪声，应该让模拟信号与数字信号分开，尽量让数字地线处于数字信号线之间，“模拟地”和“数字地”作分割处理，最终在电路板的边角处相连。为了较少高、低频的起伏噪声，应该将VDD和REFVCC通过0.1μF和4.7μF电容并联旁路到AGND，如图中的电容C7、C8、C9、和C10。3.4多信息量测试硬件电路设计真空度的测量其实是把B-A规真空计测得的数据，通过单片机控制的A/D芯片将模拟量转换成数字量即可。电路原理图如图14所示。单片机芯片AT89C52的P1.0引脚和A/D转换器芯片MAX197的中断输出引脚/INT相连，单片机通查询此引脚的高低电平检测是否完成一次A/D转换；P1.1引脚和MAX197的HBEN引脚相连，单片机通过设置此引脚可以读取12位数据的高低位；P2.0引脚的作用是通过反向器向MAX197芯片提供片选信号ADCS；/START为外部控制引脚，它通过触发单片机的外部中断0启动A/D转换；D0~D7为8位数据线，它们和MAX197芯片对应的数据位相连。B-A规传送过来的数据从MAX197的16管脚CH0输入[10]。铯氧源电流的采集电路和采集真空度的电路基本相同，对于光电流的采集需要在传感器输出端需要连接一个微弱信号放大器即可。将微弱信号放大器的输出接MAX197。图14真空度测试电路原理图铯氧源电流的采集电路的电路图如图15所示：图15铯氧源测试电路原理图铯氧源大小是通过铯氧源电源来调节。铯氧源电流从MAX197的16管脚输入。光电流采集电路的电路图如图16所示：图16光电流测试电流原理图3.5USB—CAN通信转换模块的硬件设计CAN总线为多主的方式工作，网络上任一个节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。USB(UniversalSerialBus，通用串行总线)是用于将适用USB的外围设备连接到主机的外部总线结构，USB同时又是一种通信协议[11]，它支持主系统(host)和USB的外围设备(device)之间的数据传输。它是由单片机、CAN控制芯片、CAN驱动芯片、USB接口转换芯片组成的一个单片机系统。系统具有两个对外的CAN接口和一个USB接口[12]。其中SJAl000为CAN控制器，单片机对其进行正确的初始化后，通过访问其内部寄存器实现对CAN的操作。SJAl000可以完成CAN的物理层和数据链路层的所有协议功能，它和光电隔离电路以及CAN驱动器82C250构成了与CAN相连的通道。SJAl000的内部集成了地址锁存器，其数据地址总线可以直接与51系列单片机的P0口相连。在系统中设计了两组CAN接口，可以连接不同的CAN网络。P2端口的任两位可作为CAN控制器SJAl000的片选线。单片机的中断0(INT0)、中断1(INTl)分别连至两个CAN控制器SJA1000的中断位。这样，单片机就可采用中断方式实现与SJAl000的报文交换。单片机采用AT89C51，该单片机内部集成有4K的程序存储器，不必再通过地址锁存芯片扩展程序存储器，从而减小了转换模块的体积。89C51单片机本身集成有通用串行通信接口，具有4种工作方式，其中两种可用于可变波特率的串行通信，分别对应有无奇偶校验位的8位数据传输。由于89C51单片机的串行通信接口的输入、输出电平与USB接口的标准电平不一致，中间须通过USB转换芯片，CH372。USB—CAN通信转换模块的硬件结构如图17所示。图17USB—CAN通信转换模块的硬件电路图3.6CH372的介绍CH372是一种USB总线的通用设备接口芯片。与其他的USB接口芯片相比，该芯片具有接口设计简单，编程使用方便等优点。CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可方便地挂接到单片机或DSP等控制器的系统总线上。在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁、易用的操作接口，与本地端的单片机通信如同读/写文件一样。CH372内置了USB通信中的底层协议[13]，具有内置固件模式和外置固件模式。在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0的所有事务，完成标准的USB枚举配置过程，而本地单片机只负责数据交换。在外置固件模式下，由外部单片机或DSP根据需要自行处理各种USB请求，从而可以实现符合各种USB类规范的设备。CH372提供了一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量和中断传输。通用Windows驱动程序提供设备级接口，通过DLL提供API应用层接口。CH372的引脚分布图如图18所示引脚说明：VCC(20引脚):正电源输入端，需要外接0.1uF电源退耦电容。GND(18引脚):公共接地端，需要连接USB总线的地线。V3(5引脚):在3.3V电源电压时连接VCC输入外部电源，在5V电源电压时外接容量为0.01uF退耦电容。XI(8引脚):晶体振荡的输入端，需要外接晶体及振荡电容。XO(9引脚):晶体振荡的反相输出端，需要外接晶体及振荡电容。图18CH372的引脚分布图UD+(6引脚):USB总线的D+数据线，内置可控的上拉电阻。UD-(7引脚):USB总线的D-数据线。D7～D0(17～10引脚):8位双向数据总线，内置上拉电阻。RD#(3引脚):读选通输入，低电平有效，内置上拉电阻。WR#(2引脚):写选通输入，低电平有效，内置上拉电阻。CS#(19引脚):片选控制输入，低电平有效，内置上拉电阻。INT#(1引脚):中断请求输出，低电平有效。A0(4引脚):地址线输入，区分命令口与数据口，内置上拉电阻，当A0=1时可以写命令，当A0=0时可以读写数据。4硬件电路设计的注意事项4.1USB-CAN转换电路设计为了提高USB-CAN转换器的可靠性和抗干扰能力[14]，可在SJA1000和89C250之间增加光电耦合电路，具体电路如下图19所示。从而隔离外接设备带来的干扰。同时，为了提高CH372的稳定性，在设计印制电路板（PCB）时，要特别注意CH372外围元件的布线。CH372时钟信号不稳定通常与PCB布线中GND走线不佳有关，应尽量避免电源、晶振和USB等接地点之间存在电压差，尽量缩短这些接地点之间的距离，或采用单点接地。为了减少对时钟信号的干扰，PCB设计时尽量不在晶振以及振荡电容附近走线，尤其是不要走继电器、电动机等带有瞬时冲击电源线和强信号线；在晶振以及振荡电容周边布置GND铺铜屏蔽干扰；可以将晶体外壳接地（人手碰到外壳会引入干扰）；或者使用有源晶振等。为了减少对USB信号的干扰，USB信号线D+和D-平行布线，最好在两侧布置GND铺铜，以减少干扰。图19CAN总线系统智能节点硬件电路4.2A/D转换器芯片选取为了采集准确真空度、色氧源电流、光电流。需要选择好A/D转换器[15]，本设计用的A/D转换器是MAX197。在选择A/D转换器时需要考虑的的主要参数有：(1)分辨率：是指A/D转换器能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高。(2)转换时间：指数字量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。电流型A/D转换较快，一般在几ns到几百ns之间。电压型d/a转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。(3)精度：指A/D转换器实际输出电压与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位。本设计用的MAX197具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，对于测量真空度、铯氧源电流可以直接进行A/D转换。而光电流需要用到微弱信号放大器。因此该芯片满足该设计的需要。且转换时间很短(6ms)，具有8路输入通道，还提供了标准的并行接口——8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。4.3电源选取任何硬件设备的正常运行都离不开系统的供电，电源电路在系统设计时往往需要单独加以考虑，它有可能成为影响系统性能甚至运行的关键因素。单片机的A/D转换器对于电源的要求远高于其他数字电路对电源的要求。这是因为在A/D转换电路中[16]，电源除了需要提供单片机的供电电压以外，还需要完成对A/D转换器芯片的供电以及提供A/D转换器的电压基准。所以对于A/D转换电路而言，需要着重进行有关的电源设计。本文采用了Maxim公司生产的一款低电压差线性稳压芯片MAX8875。引脚电路如图20所示：图20MAX8875引脚分布图MAX8875是Maxim公司生产的一款低电压压差线性芯片，当输出电压超出稳压范围时产生报警信号；输出端只需要1μF的小陶瓷电容，就可以确保负载高达150mA电流的稳定性；而且具有过热和短路保护；电池反接保护等特点。因此该设计采用了MAX8875芯片。结束语以CAN总线为研究对象，研究了基于CAN总线的多信息量采集系统。其主要包括：A/D转换，单片机控制，电源模块，USB-CAN转换模块。主要完成了以下几个方面的内容：基于CAN总线的多信息量采集系统的结构方案，系统硬件采集电路和软件系统。本设计实现了对真空度，铯氧源电流，光电流的采集，并通