基于CAN总线的数据采集处理系统的设计.pdf
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 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 , so 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 ,event 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 降低互感器角差影响,CS5460A还具有相位补偿功能,可进行 ( - 2 14±21 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。 31111 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/ INT1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Philips 公司生产的作为PCA82C200 CAN总线控制器的替代产品,与 CAN2.0B完全兼容,同时支持BasicCAN与PeliCAN2种工作模 式。该控制器内部集成了发送与接收缓冲区,并且具有位流处 理器,主要用于处理发送缓冲器与CAN总线之间的控制数据 流,以及错误的检测、 仲裁、 总线填充和错误的处理;位时序逻 辑监控处理与总线有关的位时序;错误管理逻辑负责传送层中 调制器的错误管制,接收BSP的出错报告,促使位流处理与接 口管理逻辑进行错误统计。另外,S JA1000还增加了如支持热 插拔、 只听模式(总线舰艇,无应答)等功能,因此利用S JA1000 可以方便地设计出智能化地通信程序模块。这里主要说明 S JA1000的初始化以及各种信息帧的发送与接收的实现。 3.2.1 CAN总线控制器的初始化 S JA1000的初始化部分要特别注意模式寄存器MOD、 接收 代码寄存器ACR、 接收屏蔽寄存器AMR、 时钟分频器CDR、 总线 时序寄存器BTRO、BTR1及输出控制寄存器OCR的配置。 初始化设置主要确定各种通信参数,如波特率、 位周期宽 度、 采样点位置、 采样次数、 输出方式等。S JA1000能否正常工 作,决定于复位请求的状态,在MOD的复位请求为高时,才可 正确读写S JA1000的寄存器,所以在初始化别的寄存器之前应 使MOD的复位请求位为1;ACR、AMR决定什么样的信息才能 被接收,这2个寄存器是编排标识符的基本依据(信息位被接 收的条件是:信息位与相应的接受代码位相等且相应的接收屏 蔽位为0) ;CDR寄存器控制着CAN方式的选择;BTR0、BTR1可 完成S JA1000传送速率的设置。CAN控制器总线的工作频率可 由下式计算: 波特率=Fosc/ 2×(BRP + 1)×(3 + TSEG1 + TSEG2) 式中:Fosc为S JA1000的晶振频率;BRP取值范围为063 ,由 BR0的低6位来设置;TSEG1取值范围为015 ,由BTR1的低4 位来设置;TSEG2取值范围为07 ,由BTR1的4、5、63个位来设 置。 初始化程序框图如图5所示。 3.2.2 CAN总线信息帧的发送与接收 信息帧的发送与接收是由S JA1000自动完成,单片机将要 第9期郝晓弘等:基于Modbus/ TCP工业以太网的监控系统的设计与实现23 发送的报文送到S JA1000发送缓冲区,然后将S JA1000命令寄 存器的发送请求标志位(TR)置位,发送过程由S JA1000独立完 成,在新报文写入发送缓冲区之前,必须先检查状态寄存器的 发送缓冲状态标志(TBS) ,若为 “1”,发送缓冲器被释放,可将新 的报文写入发送缓冲器,否则,发送缓冲器被锁定,新的报文不 能被写入。报文的接收也是由S JA1000独立完成。收到的报文 通过接收滤波器放在FIFO队列中,第一条报文进入接收缓冲 器,由状态寄存器的接收缓冲器状态标志位(RBS)和接收中断 标志位(RI)标出。单片机从接收缓冲器取走1条报文后,通过 置位S JA1000的命令寄存器的释放接收缓冲器的标志位(RRB) 来释放接收缓冲器。发送程序接收程序都可采用中断方式和 查询方式。由于状态查询模式需要大量的CPU的开销,在实时 性要求较高的系统常采用中断模式,该设计采用中断模式。接 收中断程序流程图如图6所示。 4 结束语 所设计的数据采集系统可用于电力参数监控和其他工业 自动化场合。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。通过RS232/ CAN总线转换器实现现场智 能设备与上位机间或其他监控装置的数据交换,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、 故障分析、 数据处理和自动抄表等功能。因此该系统用于工业 领域检测时性价比较高。 参考文献: 1 仇维斌,高国琴,赵跃华. DS80C390和CS5460在框架式智能断路 器控制器中的应用.仪表技术与传感器,2002(6) . 2 邬宽明. CAN总线原理和应用系统设计.北京:北京航空航天大学 出版社,1996. 3 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999. 4 黄天戍,汪汝宁,袁学文,等. CAN总线与PC机串口通信适配器设 计与实现.仪表技术与传感器,2004(7) . 作者简介:刘小强(1980 ) , 在读硕士,从事电机与电力拖动理论与应用 研究。 (上接第9页) 图1 双面式设计三维图顶部视角 图2 双面式设计三维图底部视角 3 气敏传感器功耗性能分析 图3 双面式设计器件剖面图 根据电阻公式 R=L/ S(6) 对于加热器金属Pt ,= 101526316×10 - 6 · cm 采用尺寸L= 4450m ,S= 10m2,经计算R= 47. 功率计算公式为 W=ADdCp ( T -To )/ t(7) 在双面式结构设计中,实际被加热的部分只有被镂空的空 腔部分,其相关参数如下: A= 0125×10- 2cm2,To= 25,T= 350,t= 5s , 对于Si膜层,d= 21329 g/ cm3,Cp= 017 J/ g1k ,D= 0103 cm , 经计算有Wsi= 018×10 - 2W. 对于Si3N4膜层,d= 3110 g/ cm3,Cp= 017 J/ g1k ,D= 01003 cm ,经计算有WN= 110×10 - 3W. 对于SiO2膜层,d= 2130g/ cm3,Cp= 110J/ g1k ,D= 01003cm , 经计算有WO= 1113×10 - 3W. 总功率W=Wsi+ 2×WN+WO= 111×10 - 2W. 根据R=V2/ W,则可使用V= 0172 V左右的加热电源。再 考虑到热量散射的消耗,需要电压在110 V左右,实际选用115 V电压源。 4 结论 介绍了基于薄膜工艺的二氧化锡感应薄膜的乙醇气敏传 感器的制作原理,比较中空式结构设计和双面式结构设计方案 后,探讨了双面式结构乙醇气敏传感器的制作工艺,并对其功 耗进行了定量性能分析。 参考文献: 1 刘笃仁,徐毓龙.微机电系统(MEMS)技术的应用:微结构气敏传感 器.测控技术,2000 ,19(1) :9 - 11. 2 BALAJI P.Nanoparticle engineering and control of microhotplate gas sensor performance.University of Maryland ,2001. 3 BENDER S,DICKERT F L ,MOKWA W,et al. 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