基于CAN總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

海洋環(huán)境中，由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)離岸較遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，必須將測(cè)量裝置與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分開(kāi)，構(gòu)成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式一般有兩種：頻率量傳輸和串行通信。頻率量抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離傳送，但這種遠(yuǎn)程的頻率測(cè)量一般僅適用于幾十赫茲以下的較低頻率范圍。在串行通信中，RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸速率慢（通常異步通信速率限制在19.2kbps以下），傳送距離短（一般電纜長(zhǎng)度為15m），不適于用作遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；RS-449、RS-422及RS-423等通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差；且當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。

　CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求傳感器與測(cè)量裝置位于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在岸上或船上，它們之間距離經(jīng)常在幾百米，有時(shí)甚至達(dá)到幾公里。因此，連接導(dǎo)線少，維護(hù)費(fèi)用低就顯得尤為重要。本文中測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)磁場(chǎng)（3分量）、電場(chǎng)（3分量）、傾角參數(shù)（2分量），用CAN來(lái)構(gòu)建遠(yuǎn)程水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用3個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)上述8路傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集與傳送。遠(yuǎn)程水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖如圖1所示。

　遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由兩部分組成：岸上接收處理部分和水下測(cè)量裝置。為了延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，從岸上來(lái)控制水下測(cè)量體部分電池電源的通斷。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是四芯縱向密封海水電纜，兩路傳輸數(shù)據(jù)，另兩路控制電池電源。

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

　傳感器采用磁場(chǎng)三分量測(cè)量模塊，電場(chǎng)三分量測(cè)量模塊，傾角2分量測(cè)量模塊。信號(hào)處理電路中將各信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，放大采用兩片LM148四運(yùn)放，濾波器是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的兩個(gè)有源低通濾波二階節(jié)的級(jí)聯(lián)。單片機(jī)系統(tǒng)將電場(chǎng)三分量信號(hào)、磁場(chǎng)三分量信號(hào)和兩個(gè)姿態(tài)角信號(hào)共8路信號(hào)輪流選通送入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換選用B-B公司生產(chǎn)的16位芯片ADS7805，其輸入電壓范圍為±10V，輸出16位和8位可選，這里使用16位并行輸出，其控制信號(hào)由單片機(jī)的口線P1.0、P1.1和P1.2產(chǎn)生，單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。單片機(jī)采用PHILIPS的是有再片CAN功能的微控制器P87C592，晶振頻率為16MHz， P0口和P2口用作數(shù)據(jù)線和地址線，P4口和P5口用作16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高8位和低8位并行數(shù)據(jù)線。P1.6、P1.7用于CAN總線，P1.2、P1.3和P1.4控制八選一多路轉(zhuǎn)換器MAX308的通道。PC82C250為CAN總線收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)發(fā)送能力 、對(duì)CAN控制器的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。它有很強(qiáng)的抗瞬間干擾和保 護(hù)總線的能力；有3種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機(jī)?？偩€上的某節(jié)點(diǎn)掉電不會(huì) 影響總線，在40 m內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速應(yīng)用可達(dá)1 Mbps。主機(jī)接收端使用PCL－841 ，PCL－841可直接插在計(jì)算機(jī)的ISA擴(kuò)展槽內(nèi)，計(jì)算機(jī)為PCL－841分配內(nèi)存地址，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存進(jìn)行讀寫，內(nèi)存地址可通過(guò)跳線設(shè)置為C800H至EF00H中40個(gè)基地址中的任一個(gè)。是內(nèi)置CAN控制器的CAN總線通信卡，它提供總線仲裁和錯(cuò)誤檢測(cè)并自動(dòng)重發(fā)送功能，從而避免了數(shù)據(jù)丟失，保證了系統(tǒng)的可靠性。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　要實(shí)現(xiàn)有效、實(shí)時(shí)通信，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含兩部分即單片機(jī)程序和主機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理程序。