一种基于CAN总线技术的数据采集系统设计

　　1 引言

　　海洋环境中，由于测量现场离岸较远，环境恶劣，必须将测量装置与计算机系统分开，构成远程数据采集系统。远程数据采集系统的数据传输方式一般有两种：频率量传输和串行通信。频率量抗干扰能力强，便于远距离传送，但这种远程的频率测量一般仅适用于几十赫兹以下的较低频率范围。在串行通信中，RS-232通信标准数据传输速率慢(通常异步通信速率限制在19.2kbps以下)，传送距离短(一般电缆长度为15m)，不适于用作远程数据采集系统;RS-449、RS-422及RS-423等通信标准，实时性不强;RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差;且当系统出现多节点同时向总线发送数据时，会导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。

　　CAN(Controller Area Network)总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。数据段长度为8个字节，不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

　　2 系统设计

　　远程数据采集系统要求传感器与测量装置位于测量现场，计算机系统在岸上或船上，它们之间距离经常在几百米，有时甚至达到几公里。因此，连接导线少，维护费用低就显得尤为重要。本文中测量系统针对磁场(3分量)、电场(3分量)、倾角参数(2分量)，用CAN来构建远程水下数据采集系统，采用3个测量节点，分别对上述8路传感器信号实现实时采集与传送。远程水下数据采集系统的结构框图如图如图1所示。

　　远程数据采集系统主要由两部分组成：岸上接收处理部分和水下测量装置。为了延长电池的使用时间，从岸上来控制水下测量体部分电池电源的通断。数据采集系统使用的是四芯纵向密封海水电缆，两路传输数据，另两路控制电池电源。

　　2.1硬件电路设计

　　传感器采用磁场三分量测量模块，电场三分量测量模块，倾角2分量测量模块。信号处理电路中将各信号进行放大和滤波，放大采用两片LM148四运放，滤波器是由运算放大器构成的两个有源低通滤波二阶节的级联。单片机系统将电场三分量信号、磁场三分量信号和两个姿态角信号共8路信号轮流选通送入A/D进行转换，A/D转换选用B-B公司生产的16位芯片ADS7805，其输入电压范围为±10V，输出16位和8位可选，这里使用16位并行输出，其控制信号由单片机的口线P1.0、P1.1和P1.2产生，单片机系统的结构框图如图2所示。单片机采用PHILIPS的是有再片CAN功能的微控制器P87C592，晶振频率为16MHz， P0口和P2口用作数据线和地址线，P4口和P5口用作16位模数转换器的高8位和低8位并行数据线。P1.6、P1.7用于CAN总线，P1.2、P1.3和P1.4控制八选一多路转换器MAX308的通道。PC82C250为CAN总线收发器，是CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的驱动发送能力 、对CAN控制器的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。它有很强的抗瞬间干扰和保 护总线的能力;有3种不同的工作方式即高速、斜率控制和待机。总线上的某节点掉电不会 影响总线，在40 m内实现高速应用可达1 Mbps。主机接收端使用PCL-841 ，PCL-841可直接插在计算机的ISA扩展槽内，计算机为PCL-841分配内存地址，并将其作为标准内存进行读写，内存地址可通过跳线设置为C800H至EF00H中40个基地址中的任一个。是内置CAN控制器的CAN总线通信卡，它提供总线仲裁和错误检测并自动重发送功能，从而避免了数据丢失，保证了系统的可靠性。