基于CAN总线和DSP的双层数据采集系统

admin

1 引言
CAN(Controller Area Network)即控制器区域网，CAN总线是由德国BOSCH公司为实现汽车测量和执行部件之间的数据通讯而设计的、支持分布式控制及实时控制的串行通讯网络。CAN BUS现场总线已由ISO/TC22 技术委员会批准为国际标准IOS11898(通讯速率小于1Mbps)和ISO11519(通讯速率小于125kbps)。CAN总线开始主要应用于自动化电子领域的汽车发动机部件、传感器、抗滑系统等应用中，但随着CAN的应用普及，CAN总线的实时性以及抗干扰能力强等优点也逐步为航天领域所认可[1]。
本文将对CAN总线在航天领域应用情况进行介绍，并在CAN总线和DSP技术研究的基础上，设计了基于CAN总线和DSP的双层数据采集系统。文中将重点介绍双层数据采集系统的结构组成以及CAN总线接口的设计。
2  CAN总线在航天领域的应用状况
CAN总线开始主要应用于自动化电子领域的汽车发动机部件、传感器、抗滑系统等应用中，但随着CAN的应用普及，其应用范围已不局限于汽车行业，正在逐步为航天领域所认可。1995年SSTL(Surrey大学卫星技术公司)将CAN作为星载遥测/遥控信道，随之SSTL开发了基于CAN的分布式解决方案。至今SSTL已经在UoSAT-12，SNAP-1，AISAT-1，UKDMC，NigeriaSAT-1，BilSAT-1 等6颗LEO卫星中应用了CAN总线网络，用于实现星载计算机与其他任务节点之间的通信；ESA在SMART-1上也将CAN作为系统总线和有效载荷总线，实现数据交换和控制命令的传送。
ESA开展的CAN技术研究表明以差分信号传输的高速串行总线用于星载设备之间的数据传输能保证通信的及时性，有利于降低星载设备的功耗，有助于获得低噪声、抗电磁干扰性强、EMI低、信号不受电源开关状态变化影响等优势，具有良好的航天应用前景。随着航天电子技术的发展，航天电子设备综合化程度越来越高，设备之间需要交互的信息量越来越大，CAN总线技术已经开始在航天电子领域得到越来越广泛的运用[3]。
在国内，CAN总线技术已在小卫星中得到了实际的应用。随着航天信息一体化技术的发展，CAN总线将广泛应用于航天器的测量、控制等系统。CAN接口的采用将大大简化了测量系统的电缆网，提高航天器的飞行可靠性。
3 双层数据采集系统的结构及功能
双层数据采集系统的整体结构如图1所示。

双层数据采集系统由采集单元、DSP中间控制器、顶层控制中心等组成，它的组成结构如图1所示。本数据采集系统可同时实现对多区域、多单元的数据采集和信息管理控制，采用分级、区域控制的优化控制思想，采用DSP中间控制器作为各采集区域的核心控制器，实现上下层间的数据交换。
采集单元是数据采集系统构成的基础与关键，它直接与参数采集执行机构相连接，实现对现场参数的采集，包括电压、电流、温度、转速等。采集单元自身具有微控制器和存储器，既作为系统的重要组成部分，参与系统功能的实现，也可以它作为独立单元来完成数据采集功能，即在系统出现通信等故障的情况下，采集单元仍可以独立实现数据采集功能，并进行数据存储，提高了系统的可靠性。采集单元通过标准的CAN总线接口，连接到Bot－CAN总线上，实现对现场数据的采集和传输。
DSP中间控制器是整个采集系统的通信枢纽，提供上层网络和下层网络通讯的双接口。一方面通过上层网络(Top-CAN BUS)与顶层控制中心进行通讯，另一方面通过低层网络（Bot-CAN BUS）与各个采集单元进行通讯。DSP中间控制器是数据采集的区域控制器，实现对本区域数据的收集、处理，并通过CAN总线与顶层控制中心进行数据通讯，实现顶层控制中心对各个数据采集区域和采集单元的信息收集和控制。


4  CAN总线网络接口的设计
双层CAN总线网络的主要接口包括采集单元的CAN总线接口、DSP中间控制器的双CAN总线接口和顶层控制中心的CAN总线接口。其中采集单元的CAN总线接口采用标准的CAN总线接口，这里不再赘述。而顶层控制中心一般为工业控制计算机，可通过CAN通信卡直接连接到CAN总线网络上，因此也无需多做说明，下面重点介绍具有双CAN总线接口的DSP中间控制器的双CAN总线接口的设计。
4.1 DSP芯片介绍
数据采集系统的设计要兼顾速度特性和稳定性,TMS320LF2407A是TI公司的一款内置CAN模块的DSP芯片，工作电压3.3V。它具有内在的操作灵活性,高速的运算能力等特点。DSP中间控制器就以这款芯片作为主控芯片。
TMS320LF2407A的CAN模块完全支持CAN2.0A/B协议，CAN控制器模块是一个完全的CAN控制器，具有可编程的位定时器、中断配置可编程、可编程的CAN总线唤醒功能、自动回复远程请求、总线错误诊断等功能，可以工作在标准模式和扩展模式，内置6个邮箱完成数据收发，可进行自测试，CAN模块内各部分的结构和功能基本上和流行的PHILIPS增强型CAN控制器SJAl000相同。
4.2 DSP中间控制器上层CAN总线网络接口设计
在上层CAN总线网络接口设计中，核心芯片TMS320LF2407A的CAN模块完全支持CAN2.0A/B协议，只需要采用一片CAN收发器即可方便实现CAN总线接口。设计中采用了TI公司推出的3.3V系列CAN收发器SN65HVD230D。

SN65HVD230D是TI公司生产的专门针对240X系列DSP内CAN控制器与物理总线的接口。它的供电电压和TMS320LF2407A一样，仅为3.3V。SN65HVD230D CAN数据线收发器是为了在控制器之间实现可靠而有效的双向数据传输而设计的，它符合CAN总线结构标准ISO11898。该系列器件支持传输速率高达1Mbps的差分信令，同时还兼容现有信令体系。该器件采用工业标准的PCA82C250封装，适合双终端传输线和半双工操作。该器件输出转换时间，或称转换速率控制，是可编程的，这有助于设计人员减小电磁干扰从而提高系统可靠性。其接口设计如图2所示：

4.3 DSP中间控制器下层CAN总线网络接口设计
下层CAN总线硬件接口电路由主控芯片、CAN控制器、CAN收发器组成。主控芯片已选用定TMS320LF2407A，所以只需选择合适的CAN控制器和收发器即可实现此接口的设计。常用的设计方式是选用PHILIPS公司生产的SJA1000作为CAN控制器，同时选择PHILIPS公司的PCA82C250芯片作为CAN收发器，因此本接口设计的重点就是要实现DSP和SJA1000直接的接口设计。
TMS320LF2407A芯片的片外引脚一般采用地址线和数据线分离的设计方法，不再使用地址数据分时复用线，也没有ALE地址有效信号，这样就给CAN控制器与其的接口带来一定困难。TMS320LF2407A没有提供与SJA1000 CAN控制器的直接接口信号，以SJA1000的INTEL方式，采用以下几点设计满足TMS320LF2407A与CAN控制器与SJA1000的接口要求[2]。
a. 地址数据复用线的设计:将TMS320LF2407A的数据线D0～D7作为CAN的地址/数据复用线，用TMS320LF2407A的数据线去选择CAN的内部端口和传送数据。
b. 地址有效信号ALE的产生:用地址线AO、写选通信号WR和端口选通信号STBR的逻辑组合产生TMS320LF2407A的ALE信号。
c. 读写信号的产生:用读写信号和A0的逻辑组合产生SJA1000的读选通信号，用写信号和A0的逻辑组合产生SJA1000的写选通信号。逻辑关系如表2所示。
d. 片选信号的产生:用TMS320LF2407A的I/O空间选通信号IS和高位地址的译码信号的逻辑组合产生CAN的片选CS。
这种方法是将DSP的数据线改为适合CAN控制器的数据地址线，为此将DSP的A0作为地址数据选择线。AO=1时，地址有效；A0=0时，数据有效。即用奇数地址选择端口，用偶数地址传送数据。同时，通过信号的逻辑组合，在地址有效期间不产生读写信号，而产生满足CAN的地址有效信号ALE；在数据有效期间产生满足CAN的读和写逻辑信号。在SJA1000和TMS320LF2407A通过一片GAL芯片来实现接口逻辑转换，接口电路如图3所示。

5 结论
本文结合CAN总线在航天领域的应用状况，在CAN总线技术和DSP芯片功能研究的基础上，设计了一种基于CAN总线和DSP的双层数据采集系统。本系统充分利用DSP具有内置CAN控制器的优势，设计了具有双CAN总线接口的DSP中间控制器，采用分级、分层、区域组合的思想实现双层、多区域数据信息的采集。文中给出了本数据采集系统的结构，并设计了DSP中间控制器双CAN总线网络接口的硬件电路，将对CAN总线在航天领域的广泛应用提供积极的参考。