基于CAN總線(xiàn)的電流、電壓變送器的設計與實(shí)現

摘要：介紹了一種基于CAN總線(xiàn)技術(shù)在電流、電壓變送器中的設計和應用。給出了變送器的整體結構，闡述了電流、電壓的測量原理，論述了變送器的硬件組成和軟件實(shí)現方法，上位機采用PCI5121適配卡與變送器進(jìn)行通信。實(shí)驗表明，該系統具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，有廣闊的應用前景。

　　0.引言

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和智能化儀表技術(shù)是目前自動(dòng)與控制行業(yè)發(fā)展最快的兩大技術(shù)。在現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)中，CAN總線(xiàn)是發(fā)展較為迅速的一種協(xié)議標準，已經(jīng)被廣泛應用于自動(dòng)化領(lǐng)域。本文介紹的是一種基于CAN總線(xiàn)的智能變送系統?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（ControllerAreaNetwork,CAN）是德國B(niǎo)osch公司在20世紀80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種數據通信協(xié)議。CAN總線(xiàn)能有效地支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光導纖維。

　　1 系統網(wǎng)絡(luò )構成

　　為滿(mǎn)足該控制系統既要集中管理又要分散控制的要求，基于CAN總線(xiàn)的電流、電壓變送系統采用總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，結構簡(jiǎn)單且成本低。其網(wǎng)絡(luò )組成方式如圖1所示。

圖1CAN總線(xiàn)的電流/電壓變送系統總體結構。

　　現場(chǎng)CAN智能變送節點(diǎn)以微控制器為核心，配有CAN通信接口，其主要功能是采集各現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)數據，并通過(guò)CAN總線(xiàn)將采集的數據交送給監控站，供監控站獲得采集數據的基本信息，從而進(jìn)行數據分析。監控站（PC機）通過(guò)插槽中的CAN2PC總線(xiàn)適配卡實(shí)現與CAN智能測控節點(diǎn)的通信。在該系統結構中，并沒(méi)有采用多主結構方式，而是采用了一主多從的網(wǎng)絡(luò )架構。該方式在一定程度上減輕了網(wǎng)絡(luò )的負荷。

　　2 CAN智能變送節點(diǎn)的硬件設計

　　CAN智能變送節點(diǎn)具有現場(chǎng)數據采集、控制以及與CAN總線(xiàn)通信功能。該節點(diǎn)以Microchip公司生產(chǎn)的具有較高性?xún)r(jià)比的8bit增強型帶CAN控制器的Flash單片機PIC18F258為核心。該內置CAN模塊兼容于ISO的CAN性能測試要求，位速率最大為1Mb/s,執行CAN2.0B協(xié)議規范。變送器節點(diǎn)主要由信號調理單元、A/D采集模塊、單片機控制器和CAN總線(xiàn)通信模塊4部分組成。該智能變送節點(diǎn)面向的檢測對象主要是工業(yè)上使用的標準電流信號（420mA/020mA/010mA）和電壓信號（05V/010V/±5V/±10V）。首先，電流、電壓信號通過(guò)多路開(kāi)關(guān)選擇相應通道，進(jìn)入信號調理環(huán)節，將信號轉換成ADC可以接受同時(shí)又能有效利用ADC輸入范圍的電壓信號。調理后的信號經(jīng)過(guò)A/D轉換，實(shí)現對原模擬信號的數字轉換。并通過(guò)單片機I/O口存儲到其內部相應RAM區，對數據進(jìn)行相應的軟件濾波設計。當上位機發(fā)出命令，要求下位機回送采集數據時(shí)，下位機利用CAN總線(xiàn)接口單元將采集數據等基本信息發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。圖2為系統結構的總體框圖。

圖2系統結構框圖。

　　2.1檢測電路設計

　　由于該系統對于電壓、電流檢測所要求的精度較高，在系統設計時(shí)并沒(méi)有采用PIC18F258內置的10bitADC,而是采用美國Maxim公司生產(chǎn)的逐次逼近型16bit模數轉換器MAX1166作為外置ADC.該芯片片內除集成了逐次逼近型ADC所必須的逐次逼近寄存器SAR、高精度比較器和控制邏輯外，還集成了時(shí)鐘、4.096V精密參考源和接口電路。MAX1166的數據總線(xiàn)為8bit,故與目前廣泛使用的8bit微處理器連接非常方便。在該系統設計中，如何實(shí)現多種電壓、電流信號檢測方案的設計是重點(diǎn)之一。

2.1.1電流檢測原理

　　被檢測電流經(jīng)過(guò)電流檢測芯片MAX472內置采樣電阻RSENSE轉換為電壓信號，MAX951進(jìn)行信號運算，將其轉換為符合ADC模擬電壓輸入范圍的信號（05V）。圖3為420mA電流的檢測原理圖。

圖3 420mA電流檢測原理。

　　MAX472輸出電流為

　　IOUT=ILOADRSENSE/RG1（1）

　　由此得輸出電壓為

　　UOUT=ILOADROUTRSENSE/RG1（2）

　　式中RSENSE---檢測電阻

　　ILOAD---檢測電流

　　RG1---增益電阻

　　ROUT---OUT腳輸出電阻

　　由于電流檢測電路是把輸入的小信號電流轉換為適合A/D轉換的電壓信號。故UOUT的范圍已經(jīng)被確定為ADC可允許輸入的最大電壓范圍。將UOUT代入式（2），依據UOUT輸出范圍和RSENSE、ILOAD及RG值，可得ROUT值。420mA電流經(jīng)過(guò)MAX472被轉換為1.256.25V.MAX951對該信號進(jìn)行了相應的減法運算，從而得到05V.對于020mA/010mA可通過(guò)類(lèi)似方法得到ROUT阻值，從而得到相應UOUT.2.1.2電壓檢測原理。電壓信號的處理主要是采用電阻分壓的方法。通過(guò)對輸入端子進(jìn)行不同的輸入，使得經(jīng)過(guò)分壓后的電壓達到ADC要求的輸入范圍，從而滿(mǎn)足不同電壓范圍輸入的要求。電壓檢測原理如圖4所示。根據UO電壓推算INA、INB、INC輸入范圍，它們所對應的INA、INB、INC輸入方法如表1所示。