基于CAN總線的大型殼體結(jié)構(gòu)分布式測量系統(tǒng)

趙永剛 ，張國義 ，劉曉霏 ，薛紅前

（1.西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，陜西 西安 710072；2.首都航天機械公司，北京 100076）

目前，大型飛行器殼體運輸貯存設(shè)計一般不考慮殼體柔性，但是大型火箭殼體、某些有超薄機翼的結(jié)構(gòu)、特別是有大型薄壁結(jié)構(gòu)的大部件則必須考慮結(jié)構(gòu)體柔性，這就要求解決一系列問題，例如承載型架的效能（載荷分配、行程、效率、過載、滯后系數(shù)等）受到的影響、殼體儲存能量的耗散效率等問題等。因而，研究大型殼體結(jié)構(gòu)在運輸貯存過程可能出現(xiàn)的問題并尋求解決這些問題的可行方案就具有非常重要的工程應(yīng)用價值，而獲得結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)則是相關(guān)研究的前提和驗證措施有效性的保證手段，采用基于CAN總線的分布式在線測量系統(tǒng)定期檢測是獲取大型殼體運輸貯存過程中變形及應(yīng)變數(shù)據(jù)的有效手段[1－2]。

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)對于結(jié)構(gòu)損傷檢測、損傷定位、載荷檢測、結(jié)構(gòu)損傷自動修復(fù)、結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測等成為主要的支撐技術(shù)[3－4]，本文采用基于 CAN總線的傳輸采集系統(tǒng)在保障大型飛行器殼體結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面起著關(guān)鍵作用。

1 基于DSP的數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，利用現(xiàn)代工業(yè)控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過對多個分散在大型殼體結(jié)構(gòu)上的傳感器信號進行實時測量、傳輸控制及遠程顯示等，可以及時掌握大型殼體結(jié)構(gòu)各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

系統(tǒng)由CAN控制器芯片、DSP和PC機組成，即由CAN總線通信模塊、電壓采集和處理電路、中央控制單元三部分組成，并通過USB總線與上位機之間進行通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過節(jié)點結(jié)構(gòu)的區(qū)別可分為兩種模式：一種模式為傳統(tǒng)模式，即系統(tǒng)的各個節(jié)點都采用CPU加控制器方式來實現(xiàn)，節(jié)點間的結(jié)構(gòu)都一樣，都可以對整個網(wǎng)絡(luò)進行檢測和控制，無主節(jié)點和從節(jié)點的區(qū)分；另一種模式則采用主節(jié)點和從節(jié)點的結(jié)構(gòu)，主節(jié)點采用CPU加控制器結(jié)構(gòu)來檢測和控制整個節(jié)點，從節(jié)點則利用CAN總線I/O擴展器來實現(xiàn)采集和控制現(xiàn)場信號。顯然，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)著重選擇抗干擾能力強、性能穩(wěn)定的系統(tǒng)方式和結(jié)構(gòu)元器件。研究表明，TI公司DSP器件TMS320VC5416的數(shù)據(jù)處理能力明顯優(yōu)于51系列器件，因此，系統(tǒng)的PC-CAN接口卡及各從節(jié)點采用MCP2510CAN控制器和DSP器件TMS320VC5416是可行的。

1.1 A/D采樣電路與DSP的接口設(shè)計

鑒于TI公司的串行芯片應(yīng)用廣泛，本文設(shè)計采用其串行A/D采樣芯片?？紤]到TMS320VC5416芯片的三個McBSP接口可以方便地與SPI器件相連[5]，采用了 TI公司生產(chǎn)的具有SPI串行接口的 TLC2574。TLC2574支持連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，通過SPI串口與TMS320VC5416實現(xiàn)無縫對接。

TLC2574 有四種轉(zhuǎn)換模式 （模式 00，01，10，11），根據(jù)轉(zhuǎn)換器如何采樣和采用哪一個主機接口選擇相應(yīng)的模式。TLC2574以DSP的同步時間脈沖為基準發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在單次模式下首先通過命令寄存器選擇某通道，才能對該通道進行A/D轉(zhuǎn)換。因為命令存儲器為4位存儲器，所以完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要30個SCLK（同步時鐘周期），其中包括存儲器需要SCLK 4個，采樣需要SCLK 12個，模擬量轉(zhuǎn)換需要SCLK 14個。需要指出的是，TMS320VC5416的McBSP接口設(shè)置十分重要，保證該接口在SPI模式下的時序與TLC2574相對應(yīng)，才能使TMS320VC5416正常工作。

通過上面對TMS320VC5416同步串行口及TLC2574外接信號的特點分析可以看出，利用兩者可以進行無縫對接的優(yōu)點，通過TMS320VC5416的同步時鐘信號作用來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸。圖1是TMS320VC5416同步串行口與TLC2574連接圖。

圖1 TMS320VC5416與TLC2574的接口電路設(shè)計

考慮到充分利用TMS320VC5416的McBSP口的強大功能，設(shè)計采用TI公司的TLC2574芯片支持串行數(shù)據(jù)接收，一方面可以完美連接TMS320VC5416，支持連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，另一方面因為該芯片有5 V模擬供電和3.3 V數(shù)字供電方式可供選擇，符合TMS320VC5416的3.3 V信號環(huán)境，可以與TMS320VC5416無縫對接，而不會出現(xiàn)其他芯片電平不匹配的問題，從而降低電路復(fù)雜程度和制造成本。

1.2 MCP2510 CAN控制器與DSP的連接

本設(shè)計的CAN控制器采用Microchip公司生產(chǎn)的MCP2510[6]。它支持被動和主動模式的CAN1.2、CAN2.0 A/B協(xié)議，MCP2510可以接收和傳輸CAN標準幀和CAN擴展幀，并實現(xiàn)消息管理和接收過濾器功能。它有3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器，這樣可以降低處理器對消息管理的需要。通過TMS320VC5416的McBSP接口與MCP2510的SPI接口通信，其最高數(shù)據(jù)率可達1 Mb/s，已被廣泛應(yīng)用在交通及環(huán)境控制、醫(yī)療儀器、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

CAN控制器的總體特點：兼容CAN V2.0A/B協(xié)議，支持0～8個字節(jié)可變長度消息；能處理CAN標準幀和CAN擴展幀，速度可編程并且支持遠程幀；帶有屏蔽接收過濾器和3個發(fā)送緩沖器以及2個接收緩沖器；并有6個接收過濾器；其中發(fā)送緩沖器有優(yōu)先發(fā)送和退出的功能，接收緩沖器具有優(yōu)先消息存儲功能。

從節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示，其硬件有高速SPI接口，可以選擇是否使能的中斷輸出腳，同時帶有可編程預(yù)分頻器的時鐘輸出；接收緩沖滿輸出腳有兩種配置方式，分別為配置為通用的數(shù)據(jù)輸出腳或者配置為接收緩沖器滿中斷輸出；并可選擇請求發(fā)送的輸入腳來作為通用數(shù)據(jù)輸出腳，或選擇作為請求發(fā)送緩沖器立即啟用消息發(fā)送的控制腳；有休眠模式，可降低能耗，低能耗CMOS技術(shù)操作電壓在3.0 V～5.5 V；休眠模式下典型電流從正常運行時的 5 mA變?yōu)?10 μA。

圖2 從節(jié)點結(jié)構(gòu)

1.3 CAN總線通信電路

圖3為CAN的節(jié)點通信部分電路。CAN控制器用SPI接口與TMS320VC5416相連接。TMS320VC5416具有主同步串行口，經(jīng)過配置作為SPI接口的輸入口，可以實現(xiàn)最高速度1 Mb/s的SPI串口通信。在使MCP2510的片選腳置低電平的前提下，在時鐘SCK上升沿，通過SI引腳把數(shù)據(jù)或命令送到MCP2510，同時MCP2510能夠在SCK下降沿通過SO引腳送出數(shù)據(jù)。

TMS320VC5416的中斷輸入腳連接MCP2510中斷輸出腳INT。由于MCP2510本身并沒有總線驅(qū)動能力，所以另外需要82C250這種CAN驅(qū)動器把輸出的CAN消息發(fā)送到總線上去。

圖3 CAN通信電路

CAN驅(qū)動器82C250主要特性是：對ISO/DIS 11891標準完全兼容；抗瞬間干擾能力強，通過斜率控制可有效降低射頻干擾，可有效保護總線；能有效降低電池與地之間短路的可能；抗熱能力強；低電流待機方式；最高速率可達1 Mb/s；支持最大110個節(jié)點，任一節(jié)點的掉電不會對總線產(chǎn)生影響。

選用Philips生產(chǎn)的PCA82C250作為CAN接口芯片。斜率控制模式通過在82C250芯片的RS腳和地之間接上30 kΩ電阻實現(xiàn)。

2 PC－CAN接口卡設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)拓撲

2.1 PC－CAN 接口卡

通過設(shè)計PC－CAN接口卡可以完成從節(jié)點與上位機之間的數(shù)據(jù)交換，解決了PC機無法和CAN總線直接通信的問題。接口卡可以雙向轉(zhuǎn)換CAN總線不同波特率和上位機的USB串口波特率，轉(zhuǎn)換上位機的USB串口與CAN總線間的電平；雙向轉(zhuǎn)換CAN總線上的數(shù)據(jù)包和上位機的USB串口比特流，數(shù)據(jù)包每幀為8 B；可以CRC檢驗傳送的數(shù)據(jù)，并對錯誤的數(shù)據(jù)重新發(fā)送。

接口卡的設(shè)計要求是硬件構(gòu)成簡單、工作可靠、性能穩(wěn)定，同時USB串口和CAN總線的通信功能在設(shè)計中亦必不可少，在較多從節(jié)點下運算速度應(yīng)滿足需要。

此外，系統(tǒng)A/D采樣率高，為此接口需要有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，才能實時傳輸采集信號和DSP處理結(jié)果。選用Cypress公司的 CY7C68013－56PVC作為接口芯片，該芯片的USB2.0高速接口具有即插即用、便攜移動的優(yōu)點。其 3.3 V的電源與 DSP要求吻合，能夠直連TMS320VC5416接口。其片上帶有的2K×16 bit的 FIFO，通過 SLAVEFIFO，模式下的AUTO－IN/OUT方式可以方便地傳輸數(shù)據(jù)和控制命令。

PC－CAN接口卡主節(jié)點系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 接口卡主節(jié)點系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)連接方案

分布式測量系統(tǒng)連接方案如圖5所示。主機通過USB接口對主節(jié)點進行通信和控制，主節(jié)點通過CAN網(wǎng)絡(luò) 與 從節(jié)點 1、2、3、4、…相連。

圖5 分布式測量系統(tǒng)連接圖

3 PC－CAN 接 口卡軟件設(shè)計

為了監(jiān)測和處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，需要利用上位機軟件來監(jiān)測和控制整個CAN系統(tǒng)。實現(xiàn)上位機與從節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)和控制。

在上位機與PCCAN接口卡之間傳遞消息時，發(fā)送方的PC－CAN接口卡軟件需要在每一幀數(shù)據(jù)的后面附加校驗和字節(jié)。實現(xiàn)方法是PC－CAN接口卡軟件對其每一幀內(nèi)的載荷數(shù)據(jù)逐字節(jié)相加取和，然后再將總和值的低8位作為校驗和的標志值字節(jié)隨載荷數(shù)據(jù)一起發(fā)送。接收方在接收到數(shù)據(jù)幀后需要對載荷數(shù)據(jù)每一個字節(jié)相加取和，再將取和的結(jié)果與接收到的校驗和值進行對比。當(dāng)出現(xiàn)干擾產(chǎn)生誤碼時，那么兩個校驗和值不相等，即判斷舍棄該幀。若校驗和值相等則說明接收載荷數(shù)據(jù)正確。采取校驗和的方法可以大為減少誤碼出現(xiàn)的機會（顯然其并不能夠保證數(shù)據(jù)的傳送成功和絕對正確）。PC－CAN接口卡的軟件整體流程如圖6所示。

圖6 PC－CAN接口卡軟件流程圖

在介紹CAN總線和分布式數(shù)據(jù)采集后，闡述了本文方案所開發(fā)的基于CAN總線的分布式測量系統(tǒng)，系統(tǒng)各節(jié)點以TMS320VC5416為核心，各節(jié)點間以CAN總線連接通信，能夠搭配不同的傳感器進行各種參數(shù)的測量。最后系統(tǒng)實現(xiàn)的指標為：最多容納100個節(jié)點；CAN總線速率32 kb/s；每個從節(jié)點支持4路模擬采集通道；每個從節(jié)點支持8路開關(guān)量輸出。

[1]張崇巍，付河，朱敏.電動叉車CAN總線控制系統(tǒng)中人機交互節(jié)點設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，23（1）：81-85.

[2]朱敏，張崇巍，謝震.CAN總線在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，25（3）：345-349.

[3]HOUSNER G W， BERGMAN L A， CAUGHEYT K.Structural control： past， present， and future[J].Journal of Engineering Mechanics， ASCE， 2003，123（9）.

[4]FUJUNO Y， ABE M.Structural Health Monitoring in civil infrastructures Research Activities at the Bridge and Structure[J].Laboratory of the University of Tokyo.Structural Healthy Monitoring and Intelligent Infrastructure，2003，11，Tokyo， Japan.

[5]任治剛，孫洪波，張澤.TMS320C54x系列 McBSP串口特性及其應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001（3）：336-339.

[6]Microchip Technology Inc.MCP2510 Data Sheet[Z].2002.