DesignOfCANBusIntelligentNodeBasedOnINFINEON
LiSongHuYu-lan
（ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China）
（沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110168）
摘要：提出了一種基于英飛凌微控制器XC164CS的CAN總線分布式智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)硬件框圖、軟件流程圖、電路原理圖，所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，外擴(kuò)器件少，結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，且節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展方便，已用于某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，波特率為10Kbps。
關(guān)鍵詞：CAN總線；XC164CS;英飛凌微控制器；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；CAN通信
中圖分類號(hào):TP文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
Abstract:ControllerAreaNetwork（CAN）isakindofserialcommunicationnetworkthatsupportsthedistributedcontrol,andhascharacteristicsofhighcapabilityandhighreliability.PutforwarddesignofCANbusintelligentdatacollectnodewhichbasedonINFINEONsingle-chipXC164CS．Giventhesystemhardwareframediagram、programdesign、circuitprincipledrawing,Thedesignwassuitableforsomeindustryscene，BandRateequation10kbps．
Keywords:CANBus；INFINEON；XC164-8F20Micro-Controller;NetworkNode；CANCommunication

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如何將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)安全地傳送給數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)是工業(yè)控制系統(tǒng)首要解決的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題．對(duì)于這一實(shí)際問(wèn)題通常采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，控制器局域網(wǎng)（CAN）屬于總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)．CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性．由于CAN本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、家用電器及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展，CAN總線已成為工業(yè)采集領(lǐng)域中首選的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1CAN總線系統(tǒng)的組成模式

1.1CAN總線特點(diǎn)

（1）CAN采用多主方式工作，不分主從。

（2）CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。
（3）在速率5kpbs以下時(shí)，CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km；在通信距離為40m以下時(shí)，CAN的通信速率最高可達(dá)1mbps；CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。
（4）CAN總線數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，因此可保證很短的傳輸時(shí)間，而且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，受干擾的概率低，CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)，具有極好的檢錯(cuò)效果，能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)一個(gè)工作點(diǎn)的控制命令或數(shù)據(jù)采集的要求。
（5）CAN總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，可自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。

1.2CAN總線系統(tǒng)的組成模式

CAN總線技術(shù)的控制系統(tǒng)一般采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其組成模式如圖１所示．主要由監(jiān)控站和若干智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，上位監(jiān)控站選用ＰＣ機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的中心，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的監(jiān)控、管理功能。CAN通信卡通過(guò)串口與ＰＣ機(jī)通訊，承擔(dān)上位機(jī)和ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

圖１ＣＡＮ總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

２基于英飛凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

２.1英飛凌XC164CS的特點(diǎn)

性價(jià)比高是CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)力求的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以在選用作為核心器件的控制器時(shí)選用片內(nèi)資源豐富的英飛凌XC164CS，XC164CS具有令人印象深刻的DSP性能和先進(jìn)的中斷處理，加上一種集成高效的外設(shè)集成高性能在片F(xiàn)LASH或ROM存儲(chǔ)器，這些使得XC164CS成為工業(yè)和汽車應(yīng)用設(shè)備的理想選擇。其靈活的智能PWM單元簡(jiǎn)化了AC,DC或阻抗馬達(dá)的控制。高速、高分辨ADC處理復(fù)雜的模擬環(huán)境的快速和精確轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)化的方案完全可以采用高效的通信接口來(lái)解決，如具有自動(dòng)網(wǎng)關(guān)功能的高速TwinCAN模塊。

2.2基于英飛凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

CAN總線測(cè)控節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)為數(shù)據(jù)采集、處理與CAN通信，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如2所示．設(shè)計(jì)中，上位機(jī)通過(guò)CAN總線適配卡可與多個(gè)CAN總線智能數(shù)據(jù)測(cè)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換．CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)把采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，進(jìn)入MCU處理，由CAN收發(fā)器經(jīng)由總線與上位機(jī)進(jìn)行CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)對(duì)檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)一步分析、處理或存儲(chǔ)，完成系統(tǒng)的在線檢測(cè)、計(jì)算機(jī)分析，處理完畢后，將數(shù)字量結(jié)果重新轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量，用于驅(qū)動(dòng)顯示儀表、記錄設(shè)備和反饋控制系統(tǒng)，去執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖２CAN總線測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

３基于英飛凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：采集數(shù)據(jù)的誤差校正、標(biāo)度換算、系統(tǒng)自身的調(diào)零、校準(zhǔn)，系統(tǒng)的故障檢測(cè)、CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換、CAN通訊等，軟件流程如圖3所示。

①上電初始化：包括A/D初始化，CAN控制器初始化，定時(shí)器初始化，中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置等。
②標(biāo)度換算：每一個(gè)數(shù)字量都和不同的物理量相對(duì)應(yīng)，標(biāo)度換算就是把數(shù)字量變成物理量的過(guò)程，經(jīng)過(guò)換算的物理量是符合上、下位機(jī)通信協(xié)議的數(shù)字量。
③數(shù)字調(diào)零；數(shù)字調(diào)零手段主要是為了消除模擬開關(guān)、放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換器本身的偏差，削弱各種隨時(shí)間和溫度變化的漂移的影響。
④非線性補(bǔ)償：輸入的數(shù)字量與對(duì)應(yīng)的物理量呈非線性關(guān)系，對(duì)輸入的數(shù)字量進(jìn)行線性化處理，本設(shè)計(jì)采用的線性差值法。
⑤數(shù)字濾波：數(shù)字濾波是通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算或者判斷程序，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑處理，分離出有用的信號(hào)，消除或減少各種干擾和噪聲。本案將使用程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法等。
⑥溫度補(bǔ)償：測(cè)試點(diǎn)的環(huán)境溫度將直接影響測(cè)量，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，首先要測(cè)出測(cè)量點(diǎn)的溫度，該溫度信號(hào)作為多路采樣開關(guān)采集信號(hào)的一路送入單片機(jī)。測(cè)溫元件的輸出經(jīng)放大及A／D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)并行接口接收溫度數(shù)據(jù)，并暫存溫度數(shù)據(jù)。信號(hào)采樣結(jié)束，單片機(jī)運(yùn)行溫度誤差補(bǔ)償程序，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償
⑦系統(tǒng)自檢：上電初始化后即進(jìn)行系統(tǒng)自檢，包括CPU自檢，外部存儲(chǔ)單元的自檢等。
⑧故障診斷：故障診斷將采用以下四種方法進(jìn)行力所能及的故障診斷，有以下四種方法：a．值域判定法b．時(shí)域判定法c．功能判定法d．邏輯判定法。

圖３軟件流程圖

4設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1設(shè)計(jì)實(shí)例

在本設(shè)計(jì)中，測(cè)控節(jié)點(diǎn)可以采集14路模擬量、8路開關(guān)量、2路SPI、2路SCI、5路脈沖量。14路模擬量先經(jīng)信號(hào)調(diào)理，轉(zhuǎn)換為０～2.5Ｖ的直流電壓，再由１∶１的隔離放大器送XC164的１０位ADC．１０位ADC的工作模式選擇與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作由XC164的內(nèi)部寄存器ADDC和ADDR的編程控制完成。8路開關(guān)量由XC164的8個(gè)GPIO進(jìn)行輸入。5路脈沖量通過(guò)鑒相器處理后由CPU計(jì)數(shù)。SPI和SCI信號(hào)直接連接到MCU的SPI和SCI控制器。硬件電路只需要在XC164CS的TD1（CAN1的發(fā)送器輸出腳）與RD1（CAN1的接收器輸入腳）外接CAN總線驅(qū)動(dòng)器即可．圖4中CAN總線驅(qū)動(dòng)器使用的是PCA82C250T，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口。為了進(jìn)一步提高CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，XC164CS的TD1和RD1分別通過(guò)高速光耦6N137與PCA82C250T的TXD和RXD相連．光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源必須完全隔離。為了提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)淠芰?CAN總線兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻。為了減小現(xiàn)場(chǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的干擾，采用屏蔽雙絞線。本設(shè)計(jì)中，XC164既作為主控制器，還作為CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)控制器，與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

A/D轉(zhuǎn)換部分采用的自動(dòng)掃描連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，對(duì)選中的通道組進(jìn)行重復(fù)轉(zhuǎn)換。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)入中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

CAN通信開啟接收和中斷，當(dāng)接收到主機(jī)命令的時(shí)候，進(jìn)入接收中斷，發(fā)送被選擇的報(bào)文對(duì)象。當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)入發(fā)送中斷，進(jìn)行重發(fā)相關(guān)的報(bào)文對(duì)象。

通用定時(shí)器模塊啟用鑒相器模式。通過(guò)JTAG接口在線程序下載、調(diào)試。

圖4設(shè)計(jì)原理圖

4.2試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)有８?jìng)€(gè)CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)，波特率為10K，通信距離約為２km，每個(gè)CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)根據(jù)制定的協(xié)議以大約200ms的時(shí)間間隔發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，采集了溫度、濕度、位置等多個(gè)信號(hào)，通過(guò)軟硬件數(shù)據(jù)處理方法，大大提高了采集數(shù)據(jù)的精度，總線的負(fù)載遠(yuǎn)低于可允許的范圍。根據(jù)對(duì)上傳上位機(jī)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)可靠及時(shí)。可實(shí)現(xiàn)主機(jī)的遠(yuǎn)程控制，對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及故障診斷，進(jìn)一步提高了在關(guān)鍵環(huán)境中使用的可靠性。

5結(jié)論

基于英飛凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)外圍電路少，成本低，接口豐富，可實(shí)現(xiàn)輸入多種信號(hào)，一般無(wú)需加額外擴(kuò)展接口即可滿足工業(yè)需求。可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，抗干擾能力強(qiáng)，在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下，仍然可以保持正常工作。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目最多可達(dá)到128，可以擴(kuò)大上位機(jī)的監(jiān)控范圍。也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，做到檢測(cè)和控制一體?；谟w凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的體積小，可在很多對(duì)體積有特殊要求的環(huán)境中應(yīng)用。

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