基于CAN通信多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

方略 何洪軍 高旭

摘? ?要：實時準(zhǔn)確采集康復(fù)下肢外骨骼機(jī)器人傳感器信息對于機(jī)器人下一時刻的動作尤為重要。設(shè)計了一款基于CAN總線的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以TMS320F2812為核心芯片實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信息通過CAN總線發(fā)送至上位機(jī)軟件CANTest實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計采集系統(tǒng)硬件電路簡單，采集精度高，抗干擾能力強(qiáng)，工作迅速可靠。

關(guān)鍵詞：下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人;TMS320F2812;數(shù)據(jù)采集;CAN總線;多通道;系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design of Multi-channel Data Acquisition System

Based on CAN Communication

FANG Lue?，HE Hong-jun，GAO Xu

（The twenty-first Research Institute of China Electronic Technology Group Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China）

Abstract：Real-time and accurate acquisition of sensor information for lower extremity exoskeleton rehabilitation robot is particularly important for the next moment of robot action. Based on this，a multi-channel data acquisition system based on CAN bus is designed. A/D conversion is realized with the core chip of TMS320F2812. The converted data information is sent to the upper computer software CANTest through the CAN bus to read the data. The experimental results show that the hardware circuit of the acquisition system designed is simple. The acquisition accuracy is high. The anti-interference ability is strong and it works quickly and reliably.

Key words：rehabilitation exoskeleton robot;TMS320F2812;data acquisition;CAN bus;multichannel;system design

下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的功能是輔助下肢殘疾病人行走的機(jī)器人，機(jī)器人硬件系統(tǒng)中用到的壓力傳感器、傾角傳感器等傳感設(shè)備實時監(jiān)測病人的重心變化和姿態(tài)信息，基于實時的傳感器信息來控制康復(fù)機(jī)器人下一時刻的動作[1-2]。因此，實時準(zhǔn)確的傳感器信息對于康復(fù)機(jī)器人的動作尤為重要?；诖?，設(shè)計了一款以TMS320F2812為核心芯片的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對康復(fù)機(jī)器人上的傳感器信號進(jìn)行采集，同時通過CAN總線將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)軟件CANTest實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的采集系統(tǒng)硬件電路簡單，能夠準(zhǔn)確采集到各個傳感器電壓信號，工作迅速可靠。

1? ?系統(tǒng)總體設(shè)計

TMS320F2812芯片是由TI公司推出的一款32位的定點DSP芯片，該芯片內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源，設(shè)計中主要用到的外設(shè)資源有模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的ADC采樣模塊、增強(qiáng)型局域網(wǎng)控制器eCAN模塊[3]，此外還有電源管理系統(tǒng)以及JTAG在線仿真模塊共同構(gòu)成了采集系統(tǒng)的總體框架，如圖1所示。

2? ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計的硬件電路如圖2所示。

2.1? ?模擬信號采集

模擬信號采集模塊首先是對傳感器輸出信號進(jìn)行RC濾波處理[4]，同時為了使傳感器輸出模擬信號與TMS320F2812的ADC功能兼容，傳感器輸出信號經(jīng)由穩(wěn)壓二極管NUP4201MR6使模擬信號幅值限定在0-3.0 V的范圍內(nèi)[5]，模擬信號采集電路原理如圖3所示。

基于TMS320F2812內(nèi)部的ADC模塊，對其采集方式、序列發(fā)生器的工作模式、時鐘分頻、采集通道數(shù)等進(jìn)行設(shè)置后實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，TMS320F2812所采集到的模擬電壓數(shù)值與ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中的數(shù)字量的換算關(guān)系如下所示[6-7]：

式中：ADCResult為結(jié)果寄存器中的數(shù)字量;Vinput為輸入模擬電壓，V;ADCLO為參考電平，實際使用時，通常與AGND連在一起，此時ADCLO的值為0。

系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換程序框圖，如圖4所示。

2.2? ?CAN數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計

CAN（Controller Area Network）是一種多局域網(wǎng)，在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用[8]。其優(yōu)勢一方面是具有比較高的通信速率，另一方面是抗干擾能力比較強(qiáng)[9]，TMS320F2812內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CAN總線接口，總線接口支持CAN2.0B協(xié)議，TMS320F2812上的CAN模塊與CAN收發(fā)器PCA82C250T連接后在CAN總線上完成數(shù)據(jù)的收發(fā)工作[10]，CAN收發(fā)模塊原理如圖5所示。

CAN通信的程序框圖如圖6所示。

[系統(tǒng)初始化][發(fā)送郵箱賦值][啟動發(fā)送][CAN初始化][發(fā)送是否完成？][Y][N][復(fù)位發(fā)送響應(yīng)寄存器]

圖6? ?CAN通信程序框圖

3? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩部分，第一部分是AD采集部分，第二部分是將AD采集后數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸給上位機(jī)，通過CANTest來觀察采集的數(shù)據(jù)信息是否正確，在CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境下，通過XDS100V1仿真器與DSP目標(biāo)板相連接，使用C語言編寫程序。采集系統(tǒng)的整體流程圖如圖7所示。

4? ?實驗結(jié)果與分析

4.1? ?實驗步驟、方法及結(jié)果

在CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境下，配合可調(diào)電源作為輸入采集信號，采集信號間隔為0.2 V，即實驗分別測試0 V、0.2 V、0.4 V、0.6 V、0.8 V、1.0 V、1.2 V、1.4 V、1.6 V、1.8 V、2.0 V、2.2 V、2.4 V作為采集輸入時本研究所提設(shè)計采集系統(tǒng)的相關(guān)準(zhǔn)確度，每個采集輸入做30次測量，然后對該30次測量求平均值、絕對誤差、相對誤差，測試結(jié)果如表1所示。

采集到的傳感器信號會實時的通過CAN總線傳遞給上位機(jī)，配合上位機(jī)軟件CANTest來觀察TMS320F2812所發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)是否與采集到的信號是否一致。以采集信號為1.8 V為例，測試結(jié)果如圖8和圖9所示。

CANTest接收數(shù)據(jù)結(jié)果

4.2? ?實驗結(jié)果分析

圖8中adc[0]為采集信號為1.8 V時TMS320F2812所采集到的真實值，該值為1.825 927，adm[0]表示的是所采集信號的低字節(jié)數(shù)字量，它是要寫入到郵箱的低位，該值十進(jìn)制為208（對應(yīng)16進(jìn)制為d0），adm[1]表示的是所采集信號的高字節(jié)數(shù)字量，它是要寫入到郵箱的高位，該值十進(jìn)制為155（對應(yīng)16進(jìn)制為9b）。圖9中可以看到序號為00000008上位機(jī)所接收到的數(shù)據(jù)為00 00 00 d0 00 00 00 9b，00 00 00 d0為郵箱的低位數(shù)據(jù)對應(yīng)十進(jìn)制為208，00 00 00 9b為郵箱的高位數(shù)據(jù)對應(yīng)十進(jìn)制為155，可以知道TMS320F2812所發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)和采集到的數(shù)據(jù)是一致的。

對于同一輸入信號進(jìn)行多次采集求平均值，有效減小隨機(jī)誤差，測量值和真實值之差為絕對誤差，絕對誤差表征的是測量值對真實值的誤差本身的大小，絕對誤差與測量真實值之比為相對誤差，準(zhǔn)確反映采集系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，由測試結(jié)果的相對誤差可知，所有測試輸入信號中相對誤差的最大值為0.670%，小于1%。綜上所述本研究所提設(shè)計采集系統(tǒng)的的準(zhǔn)確率小于1%，采集精度能夠滿足0.01精度要求，由圖8和圖9可知，采集系統(tǒng)發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)與所采集到的信號一致，本研究所提設(shè)計系統(tǒng)能夠滿足實際采集系統(tǒng)的要求。

5? ?結(jié)? ?論

基于TMS320F2812數(shù)字信號處理器為核心，設(shè)計了一款基于CAN通信的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)主要用于對康復(fù)外骨骼機(jī)器人上的傳感器信號進(jìn)行實時采集，將采集到的信號通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)以確定康復(fù)外骨骼機(jī)器人的下一時刻動作，首先完成完成了硬件設(shè)計工作，然后在CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境下，完成了對DSP數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信模塊的軟件編寫和調(diào)試。實驗結(jié)果表明本研究所提設(shè)計的基于CAN通信的TMS320F2812多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集電壓信號，并將采集到的電壓信號準(zhǔn)確發(fā)送給上位機(jī)，為康復(fù)外骨骼機(jī)器人輔助病人行走康復(fù)奠定了基礎(chǔ)。

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