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引言 在工業(yè)控制中，為了保證系統的可靠運行，需要檢測周?chē)沫h(huán)境變量(如溫度、氣壓、濕度等)。通常的做法是將分布在各處的傳感器采集到的信號通過(guò)各自的線(xiàn)路連接到監控中心，這種方式在有效地完成檢測任務(wù)的同時(shí)也造成了線(xiàn)路資源的極大浪費。因此，提出了簡(jiǎn)化線(xiàn)路布局的要求。CAN(控制器局域網(wǎng))是串行通信協(xié)議，能有效支持高安全等級的分布實(shí)時(shí)控制，同時(shí)在理論上，CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)近乎沒(méi)有限制�；诖�，本設計將一種基于數字信號控制器的CAN總線(xiàn)數據采集系統作為一個(gè)CAN節點(diǎn)，每一個(gè)需要監控的區域放置一個(gè)CAN節點(diǎn)，各個(gè)節點(diǎn)通過(guò)CAN總線(xiàn)與監控中心實(shí)施通信。系統總體框圖如圖1所示。 
1 硬件構成 該數據采集系統由兩部分構成：控制部分，包括前端信號的抗混疊濾波器和用于信號采集的12位模數轉換器；CAN總線(xiàn)接口電路部分，由MCP2515CAN協(xié)議控制器和MCP2551高速CAN收發(fā)器構成。系統接3路信號，TEM、PRE、RH分別為溫度、氣壓、相對濕度。 1．1 控制部分 dsPIC30F3013是Microchip公司生產(chǎn)的傳感器系列數字信號控制器。該控制器采用16位(數據)改良的哈佛結構，并帶有增強型指令集，包含對DSP的有力支持。工作速度最高可達30MIPS，內部集成10通道12位模數轉換器，最大轉換速度為200 ksps。 工控系統中，由于各類(lèi)噪聲的存在，需要在信號采集端加上抗混疊濾波電路，如圖2所示。
抗混疊使用Sallen Key二階低通濾波器。由于環(huán)境變量均為緩變量，濾波器帶寬設置為30Hz。電路中R1、R2、C1、C2的值確定了抗混疊濾波器的特征頻率f0，同時(shí)也保證了在10ksps模數轉換速率下12位的分辨率。為了使在整個(gè)通帶范圍內信號均能很好地通過(guò)，需要調整SallenKey濾波器的品質(zhì)因數Q。Q值由式(1)決定：
Sallen Key濾波器的幅頻特性顯示，當品質(zhì)因數在0．7～0．9之間時(shí)，頻率特性達到最佳。本Q值選定為0．8。 使用dsPIC30F3013的12位ADC模塊進(jìn)行數據采集。對3路環(huán)境信號進(jìn)行循環(huán)掃描，每完成12個(gè)采樣／轉換過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)中斷。中斷過(guò)程中完成4次平均值數字濾波及相應參數的格式調整，然后，通過(guò)SPI接口傳送到CAN協(xié)議控制器。 1.2 CAN總線(xiàn)接口電路部分 CAN總線(xiàn)接口電路如圖3所示。
CAN協(xié)議控制器采用Microchip公司生產(chǎn)的MCP2515。MCP2515是帶有SPI接口的獨立CAN控制器，它完全支持CANV2．0B技術(shù)規范，通信速率為1Mb／s，包括2個(gè)接收緩沖器、6個(gè)29位驗收濾波寄存器、2個(gè)29位驗收屏蔽寄存器、3個(gè)具有優(yōu)先級設定及發(fā)送中止的發(fā)送緩沖器、高速SPI接口(10MHz)。 MCP2515與MCU的接口可以靈活配置�？赏ㄟ^(guò)引腳(如TXORTS)與MCU的數字I／O腳直接相連，利用數字I／O的讀寫(xiě)功能控制MCP2515的狀態(tài)；也可以直接使用MCP2515的SPI指令集來(lái)實(shí)現所有的功能。用于控制MCP2515的SPI指令集如表1所列。
dsPIC30F3013通過(guò)SPI接口與MCP2515進(jìn)行通信，dsPIC30F3013的SPI模塊工作在主控模式，MCP2515工作在從動(dòng)模式。dsPIC30F3013通過(guò)調用SPI指令來(lái)訪(fǎng)問(wèn)MCP2515的內部寄存器。 MCP2551是一個(gè)可容錯的高速CAN收發(fā)器，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿(mǎn)足24 V電壓要求。它的工作速率可高達1 Mb／s。 2 軟件設計 dsPIC30F3013作為控制核心，它承擔著(zhù)數據采集處理和CAN通信的任務(wù)。數據采集部分的工作流程如圖4所示。
dsPIC30F3013的12位ADC模塊包含一塊ADCBUFO至ADCBUFF的16字雙口只讀緩沖區，對ADC轉換結果進(jìn)行緩沖。本應用采樣3路信號，并用掃描輸入，經(jīng)過(guò)12次ADC轉換后，每次轉換的數據依次寫(xiě)入ADCBUF0至ADCBUFB。即代號為0、3、6、9的AD-CBUF中存放的是同一個(gè)信號的不同時(shí)間的采樣值，將這4個(gè)緩沖器的結果相加，然后再右移2位，即可實(shí)現該信號的4次平均值數字濾波。其他兩個(gè)信號存放在與之相關(guān)的ADCBUF中，處理方法與此相同。 MCP2515的SPI接口支持0，0和1，1運行模式。外部數據和命令通過(guò)SI引腳傳送到器件中，且數據在SCK時(shí)鐘信號的上升沿傳送進(jìn)去，在SCK的下降沿通過(guò)SO引腳傳送出去。CS片選引腳設置為低電平后，MCP2515希望收到的第一個(gè)字節是指令／命令字節，這就要求在調用一個(gè)命令時(shí)，要先把CS引腳拉升為高電平然后再降低為低電平。使用裝載TX緩沖器指令，取消了一般寫(xiě)命令所需的8位地址，只需選擇地址指針設置的6個(gè)地址之一，便可快速地將數據寫(xiě)入發(fā)送緩沖器。 下面以MCP2515的裝載TX緩沖器為例來(lái)說(shuō)明數據的發(fā)送過(guò)程。裝載TX緩沖器的時(shí)序如圖5所示。本應用有3路信號，每一路信號都要求精確到小數點(diǎn)后2位，所以經(jīng)過(guò)處理后的數據格式使用浮點(diǎn)型。一個(gè)浮點(diǎn)數需要占用4字節，為了使監控中心易于管理，用包含4字節數據長(cháng)度的標準數據幀來(lái)發(fā)送數據�，F以裝載TX緩沖器0為例說(shuō)明一次數據發(fā)送操作，如圖6所示。
dsPIC30F3013的SPI模塊在數據發(fā)送和接收時(shí)有8位和16位兩種工作模式可選。MCP2515的SPI指令、內部寄存器地址及數據都是8位的，所以在初始化SPI模塊時(shí)，清零MODE16(SPI1CON<10>)，將通信數據配置為8位寬度。 結語(yǔ) 本文介紹了一種以Microchip公司dsPIC30F3013為控制核心，以MCP2515為CAN控制器和以MCP2551作為CAN收發(fā)器的數據采集系統。該系統與傳感器組成一個(gè)CAN節點(diǎn)，有效地改善了工控系統中監控部分線(xiàn)路布局范圍廣、布線(xiàn)凌亂、抗干擾能力差的現狀，同時(shí)，使整個(gè)監控系統更易于擴展。實(shí)踐證明，這種設計是可靠的、高性能的。只是系統工作在多雷電地區時(shí)，可能會(huì )發(fā)生雷擊事故，在后續設計中會(huì )使用高速光電耦合器在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間做隔離。 參考文獻 1. Microchip Technology Inc.DS70139E_CN.2007. 2. Microchip Technology Inc.DS70046E_CN.2006. 3. Microchip Technology Inc.DS21801D_CN.2005. 4. Microchip Technology Inc.DS21667D_CN.2005. 作者單位：中北大學(xué)光電儀器廠(chǎng) 司寶鋒 孟鵬花 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（8） |
