[align=center]Design Of CAN Bus Intelligent Node Based On INFINEON Li Song Hu Yu-lan （Shenyang Ligong University ,Shenyang 110168 ,China） （沈陽理工大學 信息科學與工程學院, 遼寧 沈陽 110168）[/align] 摘 要： 提出了一種基于英飛凌微控制器XC164CS的CAN總線分布式智能測控節點的設計，給出了系統硬件框圖、軟件流程圖、電路原理圖，所設計節點實現方法簡單，外擴器件少，結構合理，可靠性高，且節點擴展方便，已用于某工業現場，波特率為10Kbps。 關鍵詞：CAN總線；XC164CS; 英飛凌微控制器；網絡節點；CAN通信 中圖分類號:TP 文獻標識碼: A Abstract: Controller Area Network（CAN）is a kind of serial communication network that supports the distributed control, and has characteristics of high capability and high reliability. Put forward design of CAN bus intelligent data collect node which based on INFINEON single-chip XC164CS．Given the system hardware frame diagram、program design、circuit principle drawing, The design was suitable for some industry scene，Band Rate equation 10 kbps． Keywords: CAN Bus；INFINEON；XC164-8F20 Micro-Controller; Network Node；CAN Communication 在工業現場，如何將采集到的數據及時安全地傳送給數據監控與處理系統是工業控制系統首要解決的一個實際問題．對于這一實際問題通常采用現場總線技術，控制器局域網（CAN）屬于總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡．CAN 總線與一般的通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性．由于CAN本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業，而擴展到了機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械、家用電器及傳感器等領域發展，CAN總線已成為工業采集領域中首選的現場總線之一。 1 CAN總線系統的組成模式 1.1 CAN總線特點 （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，大大節省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓情況。 （3）在速率5kpbs以下時，CAN的直接通信距離最遠可達10km；在通信距離為 40m 以下時，CAN的通信速率最高可達1mbps；CAN上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個。 （4）CAN總線數據段長度最多為8個字節，因此可保證很短的傳輸時間，而且實時性強，受干擾的概率低，CAN的每幀信息都有CRC校驗，具有極好的檢錯效果，能夠滿足工業領域中對一個工作點的控制命令或數據采集的要求。 （5）CAN總線節點在嚴重錯誤的情況下，可自動切斷與總線的聯系，以使總線上的其他操作不受影響。 1.2 CAN總線系統的組成模式 CAN總線技術的控制系統一般采用總線式網絡拓撲結構，其組成模式如圖１所示．主要由監控站和若干智能測控節點構成，上位監控站選用ＰＣ機，它是整個系統的中心，可實現強大的監控、管理功能。CAN通信卡通過串口與ＰＣ機通訊，承擔上位機和 ＣＡＮ 節點之間的數據轉發任務。 [align=center] 圖 １ ＣＡＮ總線系統結構框圖[/align] ２ 基于英飛凌的CAN總線智能測控節點硬件設計 ２.1 英飛凌XC164CS的特點 性價比高是CAN總線智能測控節點設計力求的設計目標，所以在選用作為核心器件的控制器時選用片內資源豐富的英飛凌XC164CS，XC164CS具有令人印象深刻的DSP性能和先進的中斷處理，加上一種集成高效的外設集成高性能在片FLASH或 ROM存儲器，這些使得XC164CS成為工業和汽車應用設備的理想選擇。其靈活的智能PWM單元簡化了AC, DC或阻抗馬達的控制。高速、高分辨ADC處理復雜的模擬環境的快速和精確轉換。網絡化的方案完全可以采用高效的通信接口來解決，如具有自動網關功能的高速TwinCAN模塊。 2.2 基于英飛凌的CAN總線智能測控節點的硬件結構 CAN總線測控節點主要任務為數據采集、處理與CAN通信，其硬件結構框圖如2所 示．設計中，上位機通過CAN總線適配卡可與多個CAN總線智能數據測控節點進行信息交換．CAN 總線智能測控節點把采集到的現場信號，經過預處理后，進入MCU處理，由CAN收發器經由總線與上位機進行 CAN 協議的數據交換，上位機對檢測到的現場信號進一步分析、處理或存儲，完成系統的在線檢測、計算機分析，處理完畢后，將數字量結果重新轉換為相應的模擬量，用于驅動顯示儀表、記錄設備和反饋控制系統，去執行相應的操作。 [align=center] 圖２ CAN總線測控節點的硬件結構框圖[/align] ３ 基于英飛凌的CAN總線智能測控節點軟件設計 軟件所實現的功能主要包括：采集數據的誤差校正、標度換算、系統自身的調零、校準，系統的故障檢測、CAN協議轉換、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，定時器初始化，中斷優先級設置等。 ②標度換算：每一個數字量都和不同的物理量相對應，標度換算就是把數字量變成物理量的過程，經過換算的物理量是符合上、下位機通信協議的數字量。 ③數字調零；數字調零手段主要是為了消除模擬開關、放大電路以及 A/D轉換器本身的偏差，削弱各種隨時間和溫度變化的漂移的影響 。 ④非線性補償：輸入的數字量與對應的物理量呈非線性關系，對輸入的數字量進行線性化處理 ，本設計采用的線性差值法。 ⑤數字濾波：數字濾波是通過簡單的計算或者判斷程序，對采樣信號進行平滑處理，分離出有用的信號，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、算術平均濾波法、加權平均濾波法等 。 ⑥溫度補償：測試點的環境溫度將直接影響測量，需要對測量結果進行溫度補償，首先要測出測量點的溫度，該溫度信號作為多路采樣開關采集信號的一路送入單片機。測溫元件的輸出經放大及A／D轉換送到單片機，單片機通過并行接口接收溫度數據，并暫存溫度數據。信號采樣結束，單片機運行溫度誤差補償程序，對輸入信號進行溫度補償 ⑦系統自檢：上電初始化后即進行系統自檢，包括CPU自檢，外部存儲單元的自檢等。 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．時域判定法c．功能判定法d．邏輯判定法。 [align=center] 圖３ 軟件流程圖[/align] 4 設計實例 4.1設計實例 在本設計中，測控節點可以采集14路模擬量、8路開關量、2路SPI、2路SCI、5路脈沖量。14路模擬量先經信號調理，轉換為 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據轉換操作由XC164 的內部寄存器 ADDC 和 ADDR 的編程控制完成。8路開關量由 XC164的 8個GPIO進行輸入。5路脈沖量通過鑒相器處理后由CPU計數。SPI和SCI信號直接連接到MCU的SPI和SCI控制器。硬件電路只需要在XC164CS的TD1（CAN1的發送器輸出腳）與RD1（CAN1 的接收器輸入腳）外接CAN總線驅動器即可．圖4中CAN總線驅動器使用的是PCA82C250T，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口。為了進一步提高 CAN 總線節點的抗干擾能力， XC164CS的 TD1 和RD1分別通過高速光耦6N137與PCA82C250T的TXD和RXD 相連．光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離。為了提高網絡節點的拓撲能力,CAN總線兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻。為了減小現場對節點的干擾，采用屏蔽雙絞線。本設計中，XC164 既作為主控制器，還作為CAN網絡的節點控制器，與網絡中的其他節點實現數據傳輸，設計原理圖如圖4所示。 A/D轉換部分采用的自動掃描連續轉換模式，對選中的通道組進行重復轉換。每次轉換結束后進入中斷進行數據讀取。 CAN通信開啟接收和中斷，當接收到主機命令的時候，進入接收中斷，發送被選擇的報文對象。當發送錯誤時進入發送中斷，進行重發相關的報文對象。 通用定時器模塊啟用鑒相器模式。通過JTAG接口在線程序下載、調試。 [align=center] 圖4 設計原理圖[/align] 4.2 試驗結果 在實際應用中，設有８個CAN總線智能測控節點，波特率為10K，通信距離約為２km，每個CAN總線智能測控節點根據制定的協議以大約200ms的時間間隔發送采集的數據，采集了溫度、濕度、位置等多個信號，通過軟硬件數據處理方法，大大提高了采集數據的精度，總線的負載遠低于可允許的范圍。根據對上傳上位機的數據驗證，數據可靠及時。可實現主機的遠程控制，對節點系統進行實時檢測及故障診斷，進一步提高了在關鍵環境中使用的可靠性。 5 結論 基于英飛凌的CAN總線智能測控節點外圍電路少，成本低，接口豐富，可實現輸入多種信號，一般無需加額外擴展接口即可滿足工業需求?？蓪崿F遠距離數據通信，抗干擾能力強，在復雜工業環境下，仍然可以保持正常工作。網絡節點數目最多可達到128，可以擴大上位機的監控范圍。也可實現對電機的實時控制，做到檢測和控制一體。基于英飛凌的CAN總線智能測控節點的體積小，可在很多對體積有特殊要求的環境中應用。 參考文獻： [1] 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計.北京:北京航空航天大學出版社.1996 [2] 饒云濤等.現場總線CAN原理與應用技術.北京:北京航空航天大學出版社.2003.6 [3] 胡偉，季曉衡.單片機C程序設計及應用實例.北京:人民郵電出版社.2003.7 [4] 楊小平,牛秦洲,周德儉.智能測量系統中的數據處理新方法[J].桂林工學院學報,2003,23（4）:394- 396. [5] 陸利忠.測控系統中采樣數據的預處理[J]. 測控技術,2000,19（8）:15-16. 遼寧省沈陽市渾南新區沈陽理工大學 電子郵箱：yimianduwu@163.com 電話：13840480140 郵編：110168