基于DSP和CAN總線(xiàn)的數據采集與處理系統設計

　　CAN（Controller Area Network）即控制器區域網(wǎng)，CAN總線(xiàn)是由德國B(niǎo)OSCH公司為實(shí)現汽車(chē)測量和執行部件之間的數據通訊而設計的、支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò )。CAN BUS現場(chǎng)總線(xiàn)已由ISO/TC22 技術(shù)委員會(huì )批準為國際標準IOS11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO11519（通訊速率小于125kbps）。CAN總線(xiàn)開(kāi)始主要應用于自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機部件、傳感器、抗滑系統等應用中。

　　1 系統結構

　　基于現場(chǎng)總線(xiàn)的電力系統數據采集系統由數據采集模塊、CAN總線(xiàn)、工控機（IPC）3部分組成，其系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

　　其中數據采集模塊采集現場(chǎng)數據，直接面向生產(chǎn)過(guò)程；工控機主要功能是通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對數據采集模塊的參數進(jìn)行設置，實(shí)時(shí)獲取數據采集模塊的數據和信息，以及顯示、數據分析和完成報表等功能；CAN總線(xiàn)部分主要由CAN總線(xiàn)適配卡、通信介質(zhì)和相應軟件構成。

　　2 系統硬件設計

　　三相電壓、三相電流模擬信號先輸入到信號調理電路，輸出的雙極性信號進(jìn)入A/D轉換專(zhuān)用芯片ADS7864電路，數據信號經(jīng)過(guò)電平匹配后傳入DSP。該系統還包括開(kāi)關(guān)量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、時(shí)鐘、電源和CAN接口等電路。如圖2所示。

　　圖2 硬件總體框圖

　　2.1 TMS320LF2407A的主要特點(diǎn)

　　美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A芯片將實(shí)時(shí)信號處理能力和控制器外設功能集于一身，特別適合于工業(yè)控制應用。具有豐富的通用輸入、輸出引腳。該芯片供電電壓為3.3V，降低了控制器的功耗；還提供了符合CAN2.0B規范要求的CAN通信模塊；一個(gè)16位的同步串行外圍接口（SPI）和串行通信接口（SCI）模塊；具有低成本、低功耗、高速運算能力和高性能處理能力等優(yōu)點(diǎn)。

　　2.2 采集模塊電路設計

　　該部分電路采用ADS7684作為A/D轉換芯片，ADS7684是一種高速、低功耗、六通道、同時(shí)采樣保證無(wú)失碼的雙12位A/D轉換器。信號調理部分采用互感器對電網(wǎng)信號進(jìn)行隔離變化，所選用的是電流型互感器，既可測電壓也可測電流，輸入、輸出額定電流6mA/6mA再采用普通運算放大器LM324構成電流電壓轉換器#運放工作在放大狀態(tài)，輸出-5~+5V信號。從調理部分得到的雙極性模擬信號經(jīng)過(guò)運算放大器OPA340組成的轉換電路變成0~5V的輸入信號，接入ADS7864的+IN和-IN端子，如圖3所示。

　　圖3 雙極性輸入轉換電路

　　ADS7684使用獨立的8MHZ有源時(shí)鐘，由5V電源供電。TMS320LF2407A供電電壓是3.3V，而ADS7864供電電壓是5V，所以二者接口需電平轉換，ADS7864的16位數據線(xiàn)經(jīng)過(guò)SN74LVTH16245A電壓轉換芯片再與DSP相連，片選信號CS和讀信號RD分別由2407A的外部I/O空間選通信號CS和讀信號RD經(jīng)電平匹配模塊引入，它的A/D轉換結束標志信號BUSY同樣須經(jīng)電平匹配模塊引到2407A的XINT1。ADS7864同時(shí)采到6路輸入信號并將它們保存在保持寄存器，然后順序啟動(dòng)轉換，將轉換的結果分別存放在6個(gè)寄存器中，轉換完后發(fā)出BUSY中斷信號，DSP響應中斷，順序讀出轉換結果，然后再進(jìn)行下一次采樣、轉換。

　　2.3 通信模塊電路設計

　　目前電力系統的分布式監控系統幾乎都是基于RS-485構建的網(wǎng)絡(luò )，采用半雙工的電氣協(xié)議，這種機制使得在構建復雜工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)監控網(wǎng)絡(luò )時(shí)存在不足，可靠性低，系統故障隔離能力差。在本設計方案中采用了CAN總線(xiàn)技術(shù)。該總線(xiàn)技術(shù)具有獨特的機制，其主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)不分主動(dòng)主從；采用非破壞總線(xiàn)仲裁；支持競爭；傳輸距離遠；通信速度較高（最大1Mbit/s）；組網(wǎng)靈活；其報文采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾小，具有自己的協(xié)議等；所以現場(chǎng)總線(xiàn)CAN以其自身的優(yōu)點(diǎn)有效支持分布式控制系統或成為實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。

　　TMS320LF2407A內帶CAN控制器，使整個(gè)電路的外圍設計簡(jiǎn)單化，可靠性也得到提高?？紤]到CAN 總線(xiàn)數據傳輸的高速率和抗干擾性，CAN通信方案做了如下幾方面設計：DSP的CANRX和CANTX先通過(guò)74LVC04A進(jìn)行3.3V與5V的電平匹配，然后再通過(guò)高速光隔TLP113與TJA1050連接；采用了TJA1050作為驅動(dòng)器代替以往的82C250，TJA1050的優(yōu)點(diǎn)是完全符合ISO11898標準；高速率最高達1 Mbit/s；輸出驅動(dòng)器受到溫度保護；至少可以連接110個(gè)節點(diǎn)。數字電源VCC和GND是用小功率隔離模塊DC/DC進(jìn)行一次隔離后得到的。增加了通信的抗干擾能力。CAN通信接口電路如圖4所示。

圖4 CAN通信接口電路

　　3 系統軟件設計

　　本系統的軟件在CCS2000的開(kāi)發(fā)環(huán)境下編輯、調試的，采用C2000 DSP匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程。與硬件兩部分相對應，其軟件功能劃分為采樣和通信兩個(gè)環(huán)節。

　　3.1 采樣環(huán)節

　　ADS7864 含有兩個(gè)可以同時(shí)工作的12位A/D轉換器，其3個(gè)保持信號選擇輸入的多路開(kāi)關(guān)并且啟動(dòng)A/D轉換。這3個(gè)保持信號同時(shí)有效就可以同時(shí)保持6路輸入信號，轉換的數據分別存放在6個(gè)寄存器中。ADS7864的BUSY端接到DSP 的XINT1端，ADS7864把數據轉換完成后發(fā)出中斷請求信號，DSPC相應中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀取數據。一次讀到16位信息，其中DB15表明數據的有效性（高電平有效），DB14，DB13，DB12表示哪個(gè)通道，DB11~DB00為該通道的轉換的結果。地址/模式信號（A0，A1，A2）選擇數據讀取數據的方式，本系統設置為全“1”。根據電路編寫(xiě)程序，程序流程圖如圖5所示。

　　　　圖5 采樣模塊程序流程圖

　　3.2 通信環(huán)節

　　在使用CAN控制器之前首先必須對它的內部寄存器進(jìn)行初始化設置。包括相關(guān)I/O口、位定時(shí)器以及郵箱的相關(guān)設置。第1步即為正確配置兩個(gè)引腳CANTX和CANRX。第2步初始化位定時(shí)器：位定時(shí)器主要由BCR1和BCR2這兩個(gè)寄存器組成，包括CAN控制器的通訊波特率、同步跳轉寬度、采樣次數和重同步方式。第3步初始化郵箱：郵箱初始化主要是設置郵箱的標識符、控制域以及對相應的郵箱賦初值。以下是寄存器初始化的部分原代碼：

　　數據的發(fā)送與接收：當完成以上3步之后，接著(zhù)就實(shí)現對數據的發(fā)送與接收請求。數據的接收，采用中斷方式接收CAN信息，而且所接收到的信息標識符必須與相應的接受郵箱的標識符相同才能被接收，否則被濾除。

　　4 結束語(yǔ)

　　本系統充分利用DSP具有內置CAN控制器的優(yōu)勢，設計了具有雙CAN總線(xiàn)接口的DSP中間控制器，采用分級、分層、區域組合的思想實(shí)現雙層、多區域數據信息的采集。文中給出了本數據采集系統的結構，并設計了DSP中間控制器雙CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口的硬件電路，在實(shí)際應用中取得良好的效果，也為相關(guān)的電力系統中的電量檢 測提供了一定的參考。