基于CAN总线的数据采集处理系统的设计.pdf
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1、收稿日期:2005 - 09 - 22 收修改稿日期:2006 - 05 - 15 基于CAN总线的数据采集处理系统的设计 刘小强,粟 梅 (中南大学,湖南 长沙 410083) 摘要:介绍一种基于CAN总线和电能计量芯片CS5460A的多功能数据采集系统, CS5460A自带电能计量计算DSP引 擎,可以进行大部分的计算工作,并有交直流自动校准功能,外围电路结构简单,通用性强。利用CAN总线结构灵活简 单,可靠性高,适应性好,易于维护等优点,方便的实现与上位机的数据通讯,并利用上位机强大的数据处理能力,实现电 力参数检测、 谐波分析、 事件记录和自动抄表等功能。 关键词:现场总线;CAN;智
2、能仪表 中图分类号:TP216 文献标识码:A 文章编号:1002 - 1841(2006)09 - 0022 - 03 Design of Data Acquisition System Based on CAN Fieldbus LIU Xiao2qiang ,SU Mei ( Central South University,Changsha 410083,China) Abstract :A data acquisition system which is based on CAN bus and specify K wh2chip CS5460A is presented. The
3、CS5460A is a highly integrated-Analog2to2Digital Converter. Moreover ,it has AC or DC automatic calibration function ,simple peripheral circuits and better universality. CAN bus have integrate specialty of flexible and simple structure ,high reliability ,good adaptability ,and easy main2 tenance , s
4、o it is used to meet the demandsfor real time performance of data communication. On2site data is transmited to the host comput2 er. The system can make using of the strong data processing capacity of the host computer to realize the function of measure the power pa2 rameter ,harmonious analysis ,eve
5、nt record automation parameter copy. Key words :fieldbus;CAN;intellectual instruments 1 CAN总线特点 CAN总线有以下的主要特点: (1)多主站依据优先权进行总线访问。由于CAN是对通讯 数据块进行编码的,所以优先权是通过数据块(数据帧)中的仲 裁场决定的。通常是指数据帧的标识符的编码,编码的数据越 小优先级越高。 (2)无破坏性的基于优先权的仲裁。由于CAN控制器中都 存在报文滤波寄存器,所以很容易实现多地址传送。 (3)借助接收滤波的多地址帧传送。自动重发。 (4)远程数据请求,需要数据的节点可以发送
6、远程帧进行 数据请求。 (5)错误检测和出错信令,发送期间若丢失仲裁或由于出 错而遭破坏的帧可以在总线竞争过程中优先级高的报文得到 发送,优先级低的报文在经过若干个总线周期后,再次参与总 线竞争,报文不会被破坏。 (6)暂时错误和永久故障节点的判别及故障节点的自动脱 离2。 2 系统硬件设计 系统硬件分数据采集和CAN总线通讯两部分,系统总体结 构如图1所示。 数据采集部分是以专用电能计量芯片CS5460A为核心的 三相数据采集系统。CS5460A是CRYSTAL公司推出的一种单 相带有串行接口的集成电路芯片。采用- 模/数转换模块 可以避免模拟芯片温漂及其电子脉冲计数所带来的误差。为 降低互
7、感器角差影响,CS5460A还具有相位补偿功能,可进行 ( - 2 1421 5) 的相位补偿3。可测量瞬时电流、 瞬时电压、 瞬 时功率、 电流有效值,电压有效值、 功率有效值和电能,具有片 内看门狗定时器与内部电源监视器,使得该系统可以在强电磁 干扰、 波动以及恶劣的环境下正常工作。 图1 系统总体结构图 图2 89C51与SJA1000接口图 2006年 第9期 仪 表 技 术 与 传 感 器 Instrument Technique and Sensor 2006 No19 CS5460A功能强大,自带电能计量计算DSP引擎,可以进行 大部分的计算工作,从而使其对外部微处理器功能的需求
8、降到 更低,因此外部微处理器主要完成数据的处理和通讯功能。 S JA1000是CAN控制器,它集成了CAN协议的物理层及数 据链路层,具有64K字节FIFO作为接收缓存,可完成对通信数 据的成帧处理。用户使用时,只需对CAN控制器初始化,对总 线上的数据进行收发操作,十分方便。89C51与CAN的接口图 如图2所示。 3 系统软件设计 系统软件设计采用模块化的设计方法,包括数据采集与处 理软件和CAN总线通讯软件两大部分。 3.1 数据采集与处理软件 数据采集与处理主要是对电压、 电流传感器的信号采样和 处理,可对三相电压、 电流、 有功功率、 无功功率、 功率因数、 电 能等进行测量。 31
9、111 CS5460A的初始化子程序 CS5460A正常工作前必须初始化,选择K为1, N为4000, 电压、 电流有效值和电能的计算以1Hz的频率进行,每个计算 周期结束后,最新的值将存入相应的寄存器中,等待微控制器 发送命令读取。CS5460A与单片机的接口非常简单,但它的初 始化命令较多,使用上有一定的技巧。如使用不当有时可能初 始化不成功,引起芯片的转换出错,使系统不能正常工作。所 以在使用过程中将初始化过程经反复调试,编成一通用子程 序,使用时调用,可确保每次运行的准确、 可靠。CS5460A初始 化子程序框图如图3所示。 31112 中断处理子程序 系统利用单片机外部中断/ INT
10、1脚,低电平有效。当2片 CS5460A的一个计算周期结束之后,/ INT引脚由高电平变为低 电平,触发微控制器外部中断/ INT0 ,程序转到中断处理子程 序。中断服务子程序的主要功能是读取CS5460A的寄存器值。 由于互感器的非线性特性,为确保仪表的精度,需线性化处理。 文中介绍的数据采集处理系统分2段进行线性化处理,不同段 内选取的线性化系数不同。中断处理程序如图4所示。 3.2 CAN总线通讯软件 CAN总线通信是根据CAN2.0B协议进行的,CAN通讯协议 的实现,包括各种帧的组织发送,由集成在CAN控制器中的电 路来实现。S JA1000是一种独立的CAN总线控制器,是Phili
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