一種基于CAN總線(xiàn)技術(shù)的數據采集系統設計
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海洋環(huán)境中，由于測量現場(chǎng)離岸較遠，環(huán)境惡劣，必須將測量裝置與計算機系統分開(kāi)，構成遠程數據采集系統。遠程數據采集系統的數據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，便于遠距離傳送，但這種遠程的頻率測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通信標準數據傳輸速率慢（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(cháng)度為15m），不適于用作遠程數據采集
系統；RS-449、RS-422及RS-423等通信標準，實(shí)時(shí)性不強；RS-485只能構成主從式結構系統，通信方式也只能以主站輪詢(xún)的方式進(jìn)行，系統的實(shí)時(shí)性、可靠性較差；且當系統出現多節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送數據時(shí)，會(huì )導致總線(xiàn)呈現短路，從而損壞某些節點(diǎn)的現象。
CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。CAN總線(xiàn)通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進(jìn)制數組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據。數據段長(cháng)度為8個(gè)字節，不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。
2 系統設計
遠程數據采集系統要求傳感器與測量裝置位于測量現場(chǎng)，計算機系統在岸上或船上，它們之間距離經(jīng)常在幾百米，有時(shí)甚至達到幾公里。因此，連接導線(xiàn)少，維護費用低就顯得尤為重要。本文中測量系統針對磁場(chǎng)（3分量）、電場(chǎng)（3分量）、傾角參數（2分量），用CAN來(lái)構建遠程水下數據采集系統，采用3個(gè)測量節點(diǎn)，分別對上述8路傳感器信號實(shí)現實(shí)時(shí)采集與傳送。遠程水下數據采集系統的結構框圖如圖如圖1所示。
遠程數據采集系統主要由兩部分組成：岸上接收處理部分和水下測量裝置。為了延長(cháng)電池的使用時(shí)間，從岸上來(lái)控制水下測量體部分電池電源的通斷。數據采集系統使用的是四芯縱向密封海水電纜，兩路傳輸數據，另兩路控制電池電源。
2.1硬件電路設計
傳感器采用磁場(chǎng)三分量測量模塊，電場(chǎng)三分量測量模塊，傾角2分量測量模塊。信號處理電路中將各信號進(jìn)行放大和濾波，放大采用兩片LM148四運放，濾波器是由運算放大器構成的兩個(gè)有源低通濾波二階節的級聯(lián)。單片機系統將電場(chǎng)三分量信號、磁場(chǎng)三分量信號和兩個(gè)姿態(tài)角信號共8路信號輪流選通送入A/D進(jìn)行轉換，A/D轉換選用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，其控制信號由單片機的口線(xiàn)P1.0、P1.1和P1.2產(chǎn)生，單片機系統的結構框圖如圖2所示。單片機采用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口用作數據線(xiàn)和地址線(xiàn)，P4口和P5口用作16位模數轉換器的高8位和低8位并行數據線(xiàn)。P1.6、P1.7用于CAN總線(xiàn)，P1.2、P1.3和P1.4控制八選一多路轉換器MAX308的通道。PC82C250為CAN總線(xiàn)收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線(xiàn)間的接口，提供對總線(xiàn)的驅動(dòng)發(fā)送能力 、對CAN控制器的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接收能力。它有很強的抗瞬間干擾和保 護總線(xiàn)的能力；有3種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機?？偩€(xiàn)上的某節點(diǎn)掉電不會(huì ) 影響總線(xiàn)，在40 m內實(shí)現高速應用可達1 Mbps。主機接收端使用PCL－841 ，PCL－841可直接插在計算機的ISA擴展槽內，計算機為PCL－841分配內存地址，并將其作為標準內存進(jìn)行讀寫(xiě)，內存地址可通過(guò)跳線(xiàn)設置為C800H至EF00H中40個(gè)基地址中的任一個(gè)。是內置CAN控制器的CAN總線(xiàn)通信卡，它提供總線(xiàn)仲裁和錯誤檢測并自動(dòng)重發(fā)送功能，從而避免了數據丟失，保證了系統的可靠性。
2.2系統軟件設計
要實(shí)現有效、實(shí)時(shí)通信，軟件的設計是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。本系統軟件設計包含兩部分即單片機程序和主機控制和數據處理程序。
單片機程序主要包括節點(diǎn)初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序以及CAN總線(xiàn)出錯處理程序等。單片機主程序流程圖見(jiàn)圖3，程序用C51語(yǔ)言編寫(xiě)。
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