基于CAN總線的嵌入式監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計

孔祥通，王春平，孫書鷹，劉江義

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003）

0 引 言

CAN總線作為國際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一，具有可靠性高、通信實時性好以及可擴展性強等諸多特點，在工業(yè)現(xiàn)場控制、信號采集系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]?；鹂叵到y(tǒng)是控制火炮瞄準(zhǔn)和發(fā)射的系統(tǒng)，火控計算機是火控系統(tǒng)的核心，在完成火控解算進(jìn)而引導(dǎo)高炮射擊時具有重要作用。由于火控系統(tǒng)信號眾多，狀態(tài)復(fù)雜，對其關(guān)鍵信號采集測試就顯得尤為重要[2]。

基于以上原因，設(shè)計了一種基于CAN總線的某型高炮火控裝備信號采集監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備具有模擬、數(shù)字信號的實時、定時采集功能，通過CAN網(wǎng)絡(luò)，可完成多節(jié)點信號采集。

1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的新型STM32F4微控制器作為控制核心，配以信號調(diào)理電路、通信接口電路等外設(shè)電路實現(xiàn)。系統(tǒng)工作原理為：STM32F407為控制核心，主要完成外設(shè)擴展和數(shù)據(jù)處理、通信功能。對于模擬量的采集，需要將信號首先經(jīng)調(diào)理電路處理后由專用A/D轉(zhuǎn)換芯片處理后送入MCU內(nèi)；數(shù)字信號則經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接輸入MCU的GPIO，采集節(jié)點和方式由軟件統(tǒng)一管理。CAN模塊用于組建CAN網(wǎng)絡(luò)，便于實現(xiàn)整網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點的采集處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 信號采集監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 STM32F4微控制器

STM32F4微控制器是由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的新型低成本微控制器，性能優(yōu)越[3]。下面主要說明選用此型號MCU的原因：

（1）內(nèi)核架構(gòu)先進(jìn)，性能優(yōu)越。此型號MCU特有的ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，提高了執(zhí)行效率，主頻為168 MHz且可適當(dāng)超頻，具有較高的運算能力及數(shù)據(jù)處理功能。

（2）片內(nèi)多達(dá)1MB Flash，可以實現(xiàn)在不加外部存儲器的情況下實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲，降低了開發(fā)成本。

（3）具有日歷功能的32位實時時鐘（RTC），計時精度達(dá)到1s，在系統(tǒng)工作時可實時得到數(shù)據(jù)采集時間，通過調(diào)用實時時鐘中斷，可實現(xiàn)定時采集功能。

（4）通信接口豐富，可方便完成功能擴展。STM32F4內(nèi)部集成CAN控制器，通過外接相關(guān)的CAN收發(fā)芯片可方便實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)通信。此外，其具有高速串口、SPI等通信接口，支持多種通信方式及外設(shè)擴展。

1.2 模擬信號采集電路

模擬信號采集電路主要由信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。信號調(diào)理電路完成模擬信號的預(yù)處理，將輸入信號調(diào)理按比例放大（縮?。榉螦/D轉(zhuǎn)換處理范圍的信號；A/D轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理后的待采集模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后經(jīng)SPI總線送入MCU內(nèi)，供MCU處理。

1.2.1 信號調(diào)理電路

由于待采集模擬信號不一定符合A/D轉(zhuǎn)換芯片所能夠處理的電壓范圍，因此需要對其調(diào)理轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼男盘?。圖2為模擬信號調(diào)理電路，它將設(shè)備輸出的模擬信號進(jìn)行濾波及放大處理。圖中電容C50用來濾除一些來自地端的高頻串?dāng)_；R37為電位器，可用于靈活調(diào)整信號輸出大??；2V穩(wěn)壓二極管可用于保護運放LF412不被損壞。另外，LF412使用雙電壓模式，具有較高的轉(zhuǎn)換速率，較為適合完成某些變化速率較快的信號處理工作。

圖2 信號調(diào)理電路原理圖

1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

MAX1270是MAXIM公司生成的8通道、12位串行高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，與MCU通過SPI（三線制）方式通信，高達(dá)110 kS/s采樣率[4]，通道選擇可通過軟件編程實現(xiàn)，適合完成設(shè)計需要任務(wù)。使用時，首先對芯片及通信端口進(jìn)行初始化，然后通過unsigned short SPI1_SendByte（u8 channel_number）函數(shù)發(fā)送其通道代碼，返回值即此通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值，channel_number 為：0x88、0x98、0xa8、0xb8、0xc8、0xd8、0xe8、0xf8，依次表示0~7號通道。

1.3 CAN網(wǎng)絡(luò)電路

控制器局域網(wǎng)CAN能夠以最小的CPU負(fù)荷來高效處理大量收到的報文，可用軟件配置報文發(fā)送的優(yōu)先級特性。由于此MCU自帶有CAN總線控制器，外圍只需要接一塊總線接口芯片即可實現(xiàn)CAN總線功能。圖2為CAN總線收發(fā)器65HVD290接口電路，CAN總線的物理連接分為CANH和CANL兩根線，以差分形式輸出。該器件具有較強的抗寬范圍共模干擾、電磁干擾的能力，可用于高干擾環(huán)境下[5]。綜合通信距離和性能，CAN網(wǎng)絡(luò)通信波特率設(shè)為500kB。

2 軟件設(shè)計

2.1 通信協(xié)議設(shè)計

CAN協(xié)議只是定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，這樣就為根據(jù)實際需要制定與系統(tǒng)適應(yīng)的CAN協(xié)議提供方便[6-7]?，F(xiàn)在較為成功的定制協(xié)議主要有CAN-open協(xié)議和DeviceNet協(xié)議，但其主要應(yīng)用于大型系統(tǒng)，對本系統(tǒng)不適合[8]。系統(tǒng)傳遞的信息主要有模擬信號采集值、數(shù)字信號采集值以及時間信息，因此采用自定義的CAN擴展協(xié)議格式，一個數(shù)據(jù)幀共31字節(jié)。具體含義及規(guī)定如表1所示。

系統(tǒng)采用的是CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式，ID為11位。表2為ID功能分配表。

表1 CAN擴展協(xié)議格式

表2 ID功能分配表

2.2 模塊軟件設(shè)計

使用Keil開發(fā)平臺，利用C語言進(jìn)行源程序開發(fā)，通過J-Link進(jìn)行下載調(diào)試，ST公司提供大量庫函數(shù)，開發(fā)簡單方便[9]。程序采用模塊化結(jié)構(gòu)開發(fā)，各模塊相對獨立，包括系統(tǒng)初始化、模擬數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字信號采集模塊、CAN節(jié)點初始化模塊、報文發(fā)送模塊、報文接收模塊等，具有易于維護、簡化代碼的優(yōu)點。

系統(tǒng)上電后，首先完成系統(tǒng)初始化，如：時鐘初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、通信接口（包括SPI、串口、CAN等）初始化，然后根據(jù)上位機指示完成實時時間設(shè)置，從而可以實現(xiàn)實時采集和定時采集功能。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集分為模擬量和數(shù)字量兩部分，模擬量采集主要由MCU通過SPI接口控制A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1270完成；數(shù)字量的采集通過STM32的輸入引腳進(jìn)行實時狀態(tài)捕獲實現(xiàn)。

模擬量采集時，首先對ADC進(jìn)行初始化，確定采樣時間設(shè)定、轉(zhuǎn)換時鐘設(shè)定等；然后啟動ADC，對經(jīng)過調(diào)理信號進(jìn)行采集，采樣結(jié)果為8次連續(xù)采樣的平均值；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)入相應(yīng)服務(wù)程序。其信號采集流程如圖4所示。

圖3 CAN接口電路

對于數(shù)字信號采集電路設(shè)計時，要注意將被測信號先進(jìn)行同步及電平轉(zhuǎn)換，即接入一片74HCT245，然后將此管腳對應(yīng)的輸出信號接至MCU數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)注FT（容忍5V）的管腳上。

在完成采集后，需要調(diào)用CanMessage_Assemble（）函數(shù)將數(shù)據(jù)組合為符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀。

2.2.2 CAN軟件設(shè)計

CAN總線部分的程序主要包括初始化部分、接收子程序、發(fā)送子程序3個部分。初始化程序主要包括裝載標(biāo)識符和屏蔽碼及設(shè)置波特率等工作[10]。數(shù)據(jù)發(fā)送時，首先將待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器，待發(fā)送請求得到回應(yīng)后即可完成數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)接收時首先檢查是否有接收中斷；若有，則調(diào)用中斷，進(jìn)而讀出接收緩沖器中數(shù)據(jù)并存儲，等待下一步處理。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程如圖5所示。

圖4 模擬數(shù)據(jù)采集流程

3 實驗測試

采用4個節(jié)點對系統(tǒng)進(jìn)行實驗，主控節(jié)點設(shè)為節(jié)點1，每個節(jié)點對應(yīng)一臺裝備。通過主控節(jié)點發(fā)送被檢測的設(shè)備節(jié)點號及命令，預(yù)設(shè)被采集的設(shè)備模擬通道采用30V測試源，數(shù)字信號狀態(tài)均為高電平，時間為當(dāng)前系統(tǒng)時間，測試程序如圖5所示。

圖5 CAN發(fā)送和接收流程圖

為對系統(tǒng)性能有更全面的了解，對于30V穩(wěn)壓電源為輸入測試源，結(jié)果如表3所示。可以看出，采集值最小為29.93V，平均值為29.956V，最大誤差為0.23%，采用更多次測量結(jié)果也基本符合上述規(guī)律。數(shù)字信號高低電平采集結(jié)果經(jīng)測試也均為正確值。

表3 30V測試源實測數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

介紹了基于CAN總線的某裝備嵌入式監(jiān)控采集系統(tǒng)，具有可靠性高，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，適用性較好等優(yōu)點，充分利用了現(xiàn)場總線的技術(shù)優(yōu)勢。設(shè)計采用了性能優(yōu)越的ARM內(nèi)核和STM32F4芯片，極大提高了系統(tǒng)的性能和可擴展性。經(jīng)實踐表明，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實時性高，節(jié)點和功能易于擴展，可有效實現(xiàn)某型裝備重點信號的監(jiān)控采集功能。

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