基于80C196KC的CAN總線智能數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

引言

基于集中管理、分散控制的分散控制系統(tǒng)(distributed control system)解決了集中式直接數(shù)字控制系統(tǒng)對控制器處理能力和可靠性要求過高的缺陷，但由于其具有一定的封閉性、各分散控制系統(tǒng)之間的不兼容性，集散控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享。

現(xiàn)場總線的出現(xiàn)使得全數(shù)字化，全開放式，具有可互操作性，徹底分散的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system)得以實現(xiàn)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已成為自動化領(lǐng)域中的一個熱點，也將成為工業(yè)過程控制的一個重要發(fā)展方向。

控制器局域網(wǎng)CAN(controller areanet work)是德國Bosch公司在現(xiàn)代汽車電子技術(shù)領(lǐng)域中推出的一種多主控制器局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能有效支持分布式和實時控制，最早主要應(yīng)用于汽車內(nèi)部電子監(jiān)測和控制器件數(shù)據(jù)通信。由于其高可靠性及高實時性而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制等領(lǐng)域。其突出的特點是采用最長8個數(shù)據(jù)字節(jié)的短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，實時性高；另外CAN協(xié)議取消了傳統(tǒng)的地址編碼概念，取而代之的是基于數(shù)據(jù)塊標(biāo)識符的無損優(yōu)先級仲裁，給分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)模塊間的信息共享帶來了極大的方便。

基于CAN總線的主要特點及發(fā)展趨勢，我校電液實驗室開放式電液伺服控制系統(tǒng)的改造中采用CAN總線作為現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了一套基于CAN總線智能節(jié)點的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。文中將詳細(xì)介紹智能數(shù)據(jù)采集模塊的軟硬件設(shè)計，該模塊可以實現(xiàn)控制現(xiàn)場的數(shù)字、模擬信號采集，現(xiàn)場數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)傳送以及與監(jiān)控計算機(jī)通訊等功能。

液壓伺服系統(tǒng)簡介

開放式電液伺服控制系統(tǒng)包括數(shù)臺電液伺服位置控制實驗臺、電液比例轉(zhuǎn)速控制實驗臺、電液比例力控制實驗臺。各實驗臺配置1套基于CAN總線的智能數(shù)據(jù)采集模塊和內(nèi)置控制算法的智能控制模塊，通過CAN總線將各分散的采集模塊和控制模塊組成一個控制網(wǎng)絡(luò)，1臺PC機(jī)通過內(nèi)置的CAN適配卡接入局部網(wǎng)絡(luò)，模擬工業(yè)現(xiàn)場的過程控制，PC機(jī)作為擔(dān)任過程控制監(jiān)控任務(wù)的控制站，可以實時顯示各實驗臺工作狀況及向各實驗臺發(fā)送啟停命令，同時還可以通過高速以太網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至工程師站等管理級計算機(jī)，實現(xiàn)如圖1所示的分層現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

圖1 開放式電液伺服控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊作為一種智能化現(xiàn)場儀表，主要包括硬件系統(tǒng)和控制軟件2大部分。模塊硬件部分以80C196KC單片機(jī)作為采集模塊的核心，外圍電路主要包括CAN總線接口，程序存儲器，電源監(jiān)控及復(fù)位電路，GAL譯碼電路，DI、A/D轉(zhuǎn)換電路及模塊參數(shù)設(shè)置電路等。模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

80C196KC單片機(jī)簡介
80C196KC是Intel公司推出的高性能16位單片機(jī)。和MCS51系列單片機(jī)相比，MCS196系列單片機(jī)具有更快的運算速度和更豐富的片上外圍設(shè)備，提高了控制系統(tǒng)的實時性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
a.可采用8/16位動態(tài)總線配置方式，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。
b.CPU中的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)。CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器，消除了51單片機(jī)中存在的累加器的瓶頸問題，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。
c.有一套效率更高、執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)?？梢詫Х枖?shù)和不帶符號數(shù)進(jìn)行操作，16×16位只需1.4μs(20MHz)，32÷16位只需2.4μs(20MHz)，此外還有3操作數(shù)指令，大大提高指令效率。
選擇80C196KC單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心器件，可以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求，保證系統(tǒng)的可靠性和實時性。

CAN總線接口電路
CAN總線接口由PHILIPS公司的獨立總線控制器SJA1000和接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且這2種幀格式都具有單/雙接收過濾器；64字節(jié)的接收FIFO；可讀錯誤計數(shù)器和可編程的出錯警告界限以及僅聽模式和自測試模式等。硬件連接上比較簡單：SJA1000的數(shù)據(jù)地址總線是分時復(fù)用的，可以直接與80C196KC的P3口連接，對應(yīng)控制線相連即可。需注意的是，80C196KC是Intel公司的處理器，因此SJA1000工作在Intel方式，mode引腳應(yīng)接電源正端，另外單片機(jī)的外部中斷只有正跳變有效，而SJA1000的中斷信號是低電平有效，因此需反相后才能連接單片機(jī)中斷引腳。

82C250器件提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，其RS引腳允許選擇3種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)。在低速和總線長度較短時，一般采用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過由RS引腳至地連接的電阻進(jìn)行控制。通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端通常應(yīng)接有終端電阻，以消除反射信號，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗，一般取120Ω。

數(shù)字信號采集電路
電液伺服實驗臺需要采集的物理量之一是液壓缸的位移，實驗室現(xiàn)有裝備的位移傳感器有2種：感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)光電編碼器。二者都配有帶BCD碼輸出的數(shù)顯測量儀表，直接采集數(shù)顯表的數(shù)字量可以保證采集模塊具有儀表的高精度，避免因采集傳感器前端脈沖而帶來的誤差，同時也使電路更加簡潔。

數(shù)字顯示儀表的有效BCD碼位數(shù)為5位(個、十、百位及2位小數(shù)位)，另帶一位符號位，共有21位二進(jìn)制位。80C196KC片內(nèi)不帶程序存儲器，因而用P3和P4口作為地址數(shù)據(jù)總線，單片機(jī)剩余有效IO口資源較少，因此必須擴(kuò)展并口。并口擴(kuò)展可以采用專用擴(kuò)展芯片或通用74系列的邏輯芯片，為了簡化電路和編程，采用常見的可擴(kuò)展24路IO口的82C55A并口擴(kuò)展芯片。現(xiàn)場的數(shù)字顯示儀表的輸出是非標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，為了實現(xiàn)模塊與前端儀表兼容和隔離，對輸入的數(shù)字信號采用了TLP521光耦進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和信號隔離。

A/D轉(zhuǎn)換電路電路
本模塊中A/D轉(zhuǎn)換器選用AD1674，它與AD574兼容，12位分辨率，輸入電壓范圍0～±10V或0～±5V單雙極性可選，轉(zhuǎn)換時間為10μs，單通道最大采集速率50KHz，片內(nèi)帶基準(zhǔn)電壓、三態(tài)緩沖器，且具有采樣保持電路，完全滿足設(shè)計的需要。