一種基于CAN總線的高精度角度變送器

韓彬

摘 要： 針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)中對(duì)角度位置量高精度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的測量需求，提出了一種基于CAN總線的高精度角度變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。以C8051F504型單片機(jī)作為處理核心，重點(diǎn)闡述了旋轉(zhuǎn)變壓器?數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型的構(gòu)建，并確定了校正參數(shù)；利用單片機(jī)內(nèi)部集成的CAN控制器，設(shè)計(jì)了CAN總線接口電路，詳細(xì)介紹了器件選型和電路設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的角度變送器精度指標(biāo)高達(dá)1.7′，可靠性和實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 角度變送器； CAN總線； C8051F504； 旋轉(zhuǎn)變壓器?數(shù)字轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)： TN98?34； TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）12?0103?04

Abstract： According to the requirement of high?precision and critical real?time angle measurement in industry control system， a high?precision angle converter based on CAN?bus is proposed， Construction of resolver?to?digital conversion system model is expatiated， which takes C8051F504 MCU as processing core， The emendation parameter was confirmed， CAN?bus interface circuit was designed by making use of CAN controller integrated in MCU， The component selection and circuit innovation are introduced in detail， The testing results show that the accuracy of the angle converter is up to 1，7 arc minutes， and it has strong reliability and real?time performance， Therefore， it has extensive application prospect，

Keywords： angle converter； CAN?bus； C8051F504； resolver?to?digital conversion

0 引 言

現(xiàn)場總線CAN?bus作為工業(yè)現(xiàn)場總線中非常重要的一員，憑借其可靠、實(shí)用、靈活、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，目前已在自動(dòng)化、轎車、工程車輛、機(jī)車、船舶等諸多行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。在工業(yè)控制伺服設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)角度位置量的高精度實(shí)時(shí)測量和控制是其關(guān)鍵性的技術(shù)。角度變送器是一種角度量?數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其功能是將旋轉(zhuǎn)變壓器或自整角機(jī)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與普通的A/D編碼相比，軸角編碼采用正、余信號(hào)進(jìn)行編碼，抗干擾能力強(qiáng)且轉(zhuǎn)換速度快[2]。

為了適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展需求，本文提出了一種高精度的CAN總線角度變送器，與傳統(tǒng)的RS 485總線產(chǎn)品相比，具有完善的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)[3?4]，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

角度變送器用于檢測旋轉(zhuǎn)變壓器角度位置量及旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。具備CAN通信接口，能夠接收上級(jí)控制設(shè)備查詢指令，向上級(jí)控制設(shè)備發(fā)送監(jiān)測到的信息（包括角度和圈數(shù)）及故障信息。主要由旋轉(zhuǎn)變壓器?數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、電源電路、單片機(jī)和CAN接口轉(zhuǎn)換電路組成。整個(gè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 芯片選型

單片機(jī)選用Silabs公司的C8051F504型MCU，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器核，主要特性如下：全速、非侵入式的在系統(tǒng)In?system調(diào)試接口；集成CAN控制器，兼容CAN2，0A和CAN2，0B協(xié)議； LIN2，1外圍設(shè)備（完全向后兼容，主從模式）；12位200 KSPS的32通道ADC，帶模擬多路器；高精度可編程的24 MHz內(nèi)部振蕩器，全溫度范圍內(nèi)精度指標(biāo)可達(dá)0.5%；32 KB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器；4個(gè)通用的16位定時(shí)器；片內(nèi)上電復(fù)位，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器[5]。

2 高精度旋轉(zhuǎn)變壓器?數(shù)字轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模型

旋轉(zhuǎn)變壓器?數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)為16位，靜態(tài)角精度達(dá)2.4′。通過設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)輸入模擬軸角信號(hào)θ與要實(shí)現(xiàn)的數(shù)字軸角信號(hào)β進(jìn)行求差運(yùn)算得到[sin（θ-β）]當(dāng)在要求的精度范圍內(nèi)[sin（θ-β）≈0]則認(rèn)為數(shù)字角度β與模擬角度θ相等[6]，從而通過反饋逼近的方法[7]實(shí)現(xiàn)了高精度的軸角?數(shù)字的轉(zhuǎn)換。由自動(dòng)控制原理可以知道要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)跟蹤目標(biāo)的時(shí)候保證最高的跟蹤精度，總體的電路系統(tǒng)應(yīng)該是個(gè)二型伺服回路系統(tǒng)，在輸入為階躍信號(hào)、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差為零[8]，初步建模見圖2。

根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)可得：特征方程式缺項(xiàng)，控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，下一步的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是：如何在積分環(huán)節(jié)中加入適當(dāng)?shù)男Ｕ?，不影響系統(tǒng)的類型數(shù)，又能保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用帶慣性的PD控制器作為校正環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，加入校正環(huán)節(jié)后的控制系統(tǒng)的模型如圖3所示。

從圖4可以看出，當(dāng)a值較小時(shí)，最大超前相移很小，校正作用不大；當(dāng)a的取值介于5和20之間時(shí)，超前相移增加很快，超前校正作用顯著；當(dāng)a值大于20時(shí)，相移隨a值增加的變化很小。因此，校正參數(shù)采用[5≤a≤20]。則有[5≤T1T2≤20]。

3 CAN總線電路設(shè)計(jì)

3.1 電路原理圖

典型的CAN總線電路包含CAN控制器和收發(fā)器。本文設(shè)計(jì)的電路包括CAN控制器、隔離電路、收發(fā)器和保護(hù)電路。電路原理圖如圖5所示。CAN控制器集成在單片機(jī)C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B協(xié)議，同時(shí)支持11位和29位識(shí)別碼，位速率可達(dá)1 Mb/s。CAN總線收發(fā)器選用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)，高速率（適合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范圍），低電磁輻射EME，具帶有寬輸入范圍的差動(dòng)接收器可抗電磁干擾EMI，沒有上電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)總線造成干擾，發(fā)送數(shù)據(jù)TXD 控制超時(shí)功能，發(fā)送器不使能時(shí)工作在靜音模式，在暫態(tài)時(shí)自動(dòng)對(duì)總線引腳進(jìn)行保護(hù)，輸入級(jí)與3.3 V器件兼容，熱保護(hù)，對(duì)電源和地的防短路功能，可以連接至少110 個(gè)節(jié)點(diǎn)[9]。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1） 隔離電路。為了增強(qiáng)變送器在CAN總線中的抗干擾能力，單片機(jī)CAN端口CRX和CTX沒有直接連接到TJA1050的RXD和TXD引腳上，而是在中間增加了電源隔離和信號(hào)隔離電路，通過高速磁隔離芯片ADUM1201將單片機(jī)CAN接口與收發(fā)器TJA1050連接起來，從而實(shí)現(xiàn)了總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。

（2） 保護(hù)電路。在收發(fā)器與CAN總線連接部分，設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，圖5中ZJYS80為共軛電感與C22和C23一起構(gòu)成LC濾波器，用于提高變送器防電磁干擾能力，電容器C22，C23濾除總線上的高頻干擾[10]，共軛電感ZJYS80扼制共模干擾電流，避免電感在流過較大電流時(shí)發(fā)生飽和。CAN總線串聯(lián)的電阻R3，R4，限制CAN總線中電流，防止CAN總線接口器件因過流沖擊而損壞。在CAN總線的輸入端設(shè)置了兩個(gè)瞬態(tài)抑制二極管，出現(xiàn)靜電、雷擊或其他瞬變干擾時(shí)，通過瞬態(tài)二極管的放電可以起到保護(hù)內(nèi)部電路的作用。

4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件用C語言編寫程序流程框圖見圖6，主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1） 定時(shí)禁止軸角?數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊輸出數(shù)據(jù)刷新，從數(shù)字總線讀取16位數(shù)字絕對(duì)角度量，并計(jì)算圈數(shù)。

（2） 從鐵電存儲(chǔ)器處讀取零點(diǎn)角度和圈數(shù)，用絕對(duì)角度量和圈數(shù)減去零點(diǎn)角度和圈數(shù)，得到相對(duì)的角度量和圈數(shù)。

（3） 響應(yīng)CAN接收中斷，判斷信息指令類型，做出相應(yīng)的處理，通過CAN接口將信息數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

（4） 斷電前往存儲(chǔ)器寫入角度位置和圈數(shù)，每次上電時(shí)讀取角度位置。

5 測試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證角度變送器性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)主要指標(biāo)進(jìn)行了測試驗(yàn)證。

（1） 角精度。精度設(shè)計(jì)指標(biāo)為2.4′，實(shí)際測試為1.7′，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

（2） CAN功能。為了驗(yàn)證CAN總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性、正確性和靈活性，使用CAN總線分析儀從物理層到數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了全方位、多層次的測試，測試項(xiàng)目和結(jié)果見表2和圖7。

6 結(jié) 語

討論基于CAN總線的高精度角度變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以C8051F504為核心，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器?數(shù)字的高精度轉(zhuǎn)換，經(jīng)測試驗(yàn)證，其性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，可廣泛應(yīng)用于高精度的工業(yè)控制系統(tǒng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] [德] ZELTWANGER Holger.現(xiàn)場總線CANopen設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].周立功，黃曉清，嚴(yán)寒亮，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

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[7] 徐大林，李云飛.一種高精度全數(shù)字跟蹤型軸角?數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J].微電機(jī)，2009，42（1）：32?35.

[8] 李云飛，夏偉.一種高精度、多通道的角度位置指示器[J].電子測量技術(shù)，2011，34（1）：18?21.

[9] Philips Semiconductors. TJA1050 high speed CAN transceiver [R/OL]， [2003?10?22]. http：//www，semiconductors，philips，com.

[10] 楊晶.CAN總線接口電路設(shè)計(jì)[J].辦公自動(dòng)化，2010（2）：34?36.

3 CAN總線電路設(shè)計(jì)

3.1 電路原理圖

典型的CAN總線電路包含CAN控制器和收發(fā)器。本文設(shè)計(jì)的電路包括CAN控制器、隔離電路、收發(fā)器和保護(hù)電路。電路原理圖如圖5所示。CAN控制器集成在單片機(jī)C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B協(xié)議，同時(shí)支持11位和29位識(shí)別碼，位速率可達(dá)1 Mb/s。CAN總線收發(fā)器選用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)，高速率（適合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范圍），低電磁輻射EME，具帶有寬輸入范圍的差動(dòng)接收器可抗電磁干擾EMI，沒有上電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)總線造成干擾，發(fā)送數(shù)據(jù)TXD 控制超時(shí)功能，發(fā)送器不使能時(shí)工作在靜音模式，在暫態(tài)時(shí)自動(dòng)對(duì)總線引腳進(jìn)行保護(hù)，輸入級(jí)與3.3 V器件兼容，熱保護(hù)，對(duì)電源和地的防短路功能，可以連接至少110 個(gè)節(jié)點(diǎn)[9]。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1） 隔離電路。為了增強(qiáng)變送器在CAN總線中的抗干擾能力，單片機(jī)CAN端口CRX和CTX沒有直接連接到TJA1050的RXD和TXD引腳上，而是在中間增加了電源隔離和信號(hào)隔離電路，通過高速磁隔離芯片ADUM1201將單片機(jī)CAN接口與收發(fā)器TJA1050連接起來，從而實(shí)現(xiàn)了總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。

（2） 保護(hù)電路。在收發(fā)器與CAN總線連接部分，設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，圖5中ZJYS80為共軛電感與C22和C23一起構(gòu)成LC濾波器，用于提高變送器防電磁干擾能力，電容器C22，C23濾除總線上的高頻干擾[10]，共軛電感ZJYS80扼制共模干擾電流，避免電感在流過較大電流時(shí)發(fā)生飽和。CAN總線串聯(lián)的電阻R3，R4，限制CAN總線中電流，防止CAN總線接口器件因過流沖擊而損壞。在CAN總線的輸入端設(shè)置了兩個(gè)瞬態(tài)抑制二極管，出現(xiàn)靜電、雷擊或其他瞬變干擾時(shí)，通過瞬態(tài)二極管的放電可以起到保護(hù)內(nèi)部電路的作用。

4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件用C語言編寫程序流程框圖見圖6，主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1） 定時(shí)禁止軸角?數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊輸出數(shù)據(jù)刷新，從數(shù)字總線讀取16位數(shù)字絕對(duì)角度量，并計(jì)算圈數(shù)。

（2） 從鐵電存儲(chǔ)器處讀取零點(diǎn)角度和圈數(shù)，用絕對(duì)角度量和圈數(shù)減去零點(diǎn)角度和圈數(shù)，得到相對(duì)的角度量和圈數(shù)。

（3） 響應(yīng)CAN接收中斷，判斷信息指令類型，做出相應(yīng)的處理，通過CAN接口將信息數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

（4） 斷電前往存儲(chǔ)器寫入角度位置和圈數(shù)，每次上電時(shí)讀取角度位置。

5 測試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證角度變送器性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)主要指標(biāo)進(jìn)行了測試驗(yàn)證。

（1） 角精度。精度設(shè)計(jì)指標(biāo)為2.4′，實(shí)際測試為1.7′，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

（2） CAN功能。為了驗(yàn)證CAN總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性、正確性和靈活性，使用CAN總線分析儀從物理層到數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了全方位、多層次的測試，測試項(xiàng)目和結(jié)果見表2和圖7。

6 結(jié) 語

討論基于CAN總線的高精度角度變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以C8051F504為核心，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器?數(shù)字的高精度轉(zhuǎn)換，經(jīng)測試驗(yàn)證，其性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，可廣泛應(yīng)用于高精度的工業(yè)控制系統(tǒng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[8] 李云飛，夏偉.一種高精度、多通道的角度位置指示器[J].電子測量技術(shù)，2011，34（1）：18?21.

[9] Philips Semiconductors. TJA1050 high speed CAN transceiver [R/OL]， [2003?10?22]. http：//www，semiconductors，philips，com.

[10] 楊晶.CAN總線接口電路設(shè)計(jì)[J].辦公自動(dòng)化，2010（2）：34?36.

3 CAN總線電路設(shè)計(jì)

3.1 電路原理圖

典型的CAN總線電路包含CAN控制器和收發(fā)器。本文設(shè)計(jì)的電路包括CAN控制器、隔離電路、收發(fā)器和保護(hù)電路。電路原理圖如圖5所示。CAN控制器集成在單片機(jī)C8051F504中，兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B協(xié)議，同時(shí)支持11位和29位識(shí)別碼，位速率可達(dá)1 Mb/s。CAN總線收發(fā)器選用Philips公司的TJA1050，完全符合ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)，高速率（適合CAN 的60 Kb/s～1 Mb/s 速率范圍），低電磁輻射EME，具帶有寬輸入范圍的差動(dòng)接收器可抗電磁干擾EMI，沒有上電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)總線造成干擾，發(fā)送數(shù)據(jù)TXD 控制超時(shí)功能，發(fā)送器不使能時(shí)工作在靜音模式，在暫態(tài)時(shí)自動(dòng)對(duì)總線引腳進(jìn)行保護(hù)，輸入級(jí)與3.3 V器件兼容，熱保護(hù)，對(duì)電源和地的防短路功能，可以連接至少110 個(gè)節(jié)點(diǎn)[9]。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1） 隔離電路。為了增強(qiáng)變送器在CAN總線中的抗干擾能力，單片機(jī)CAN端口CRX和CTX沒有直接連接到TJA1050的RXD和TXD引腳上，而是在中間增加了電源隔離和信號(hào)隔離電路，通過高速磁隔離芯片ADUM1201將單片機(jī)CAN接口與收發(fā)器TJA1050連接起來，從而實(shí)現(xiàn)了總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。

（2） 保護(hù)電路。在收發(fā)器與CAN總線連接部分，設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，圖5中ZJYS80為共軛電感與C22和C23一起構(gòu)成LC濾波器，用于提高變送器防電磁干擾能力，電容器C22，C23濾除總線上的高頻干擾[10]，共軛電感ZJYS80扼制共模干擾電流，避免電感在流過較大電流時(shí)發(fā)生飽和。CAN總線串聯(lián)的電阻R3，R4，限制CAN總線中電流，防止CAN總線接口器件因過流沖擊而損壞。在CAN總線的輸入端設(shè)置了兩個(gè)瞬態(tài)抑制二極管，出現(xiàn)靜電、雷擊或其他瞬變干擾時(shí)，通過瞬態(tài)二極管的放電可以起到保護(hù)內(nèi)部電路的作用。

4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件用C語言編寫程序流程框圖見圖6，主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1） 定時(shí)禁止軸角?數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊輸出數(shù)據(jù)刷新，從數(shù)字總線讀取16位數(shù)字絕對(duì)角度量，并計(jì)算圈數(shù)。

（2） 從鐵電存儲(chǔ)器處讀取零點(diǎn)角度和圈數(shù)，用絕對(duì)角度量和圈數(shù)減去零點(diǎn)角度和圈數(shù)，得到相對(duì)的角度量和圈數(shù)。

（3） 響應(yīng)CAN接收中斷，判斷信息指令類型，做出相應(yīng)的處理，通過CAN接口將信息數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

（4） 斷電前往存儲(chǔ)器寫入角度位置和圈數(shù)，每次上電時(shí)讀取角度位置。

5 測試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證角度變送器性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)主要指標(biāo)進(jìn)行了測試驗(yàn)證。

（1） 角精度。精度設(shè)計(jì)指標(biāo)為2.4′，實(shí)際測試為1.7′，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

（2） CAN功能。為了驗(yàn)證CAN總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性、正確性和靈活性，使用CAN總線分析儀從物理層到數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了全方位、多層次的測試，測試項(xiàng)目和結(jié)果見表2和圖7。

6 結(jié) 語

討論基于CAN總線的高精度角度變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以C8051F504為核心，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器?數(shù)字的高精度轉(zhuǎn)換，經(jīng)測試驗(yàn)證，其性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，可廣泛應(yīng)用于高精度的工業(yè)控制系統(tǒng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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