摘  要: 應(yīng)用CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對大型飛行器殼體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變在線實時監(jiān)測是進行結(jié)構(gòu)監(jiān)測的有效手段,在介紹CAN總線和分布式數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,設(shè)計以TMS320VC5416 DSP為節(jié)點核心的測量系統(tǒng),利用CAN總線對數(shù)據(jù)采集與傳輸進行控制。并給出基于TMS320VC5416 DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相應(yīng)節(jié)點硬件電路設(shè)計及PC-CAN卡程序設(shè)計。
關(guān)鍵詞: CAN總線;TMS320VC5416;分布式測量系統(tǒng)

　目前,大型飛行器殼體運輸貯存設(shè)計一般不考慮殼體柔性,但是大型火箭殼體、某些有超薄機翼的結(jié)構(gòu)、特別是有大型薄壁結(jié)構(gòu)的大部件則必須考慮結(jié)構(gòu)體柔性,這就要求解決一系列問題,例如承載型架的效能(載荷分配、行程、效率、過載、滯后系數(shù)等)受到的影響、殼體儲存能量的耗散效率等問題等。因而,研究大型殼體結(jié)構(gòu)在運輸貯存過程可能出現(xiàn)的問題并尋求解決這些問題的可行方案就具有非常重要的工程應(yīng)用價值,而獲得結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)則是相關(guān)研究的前提和驗證措施有效性的保證手段,采用基于CAN總線的分布式在線測量系統(tǒng)定期檢測是獲取大型殼體運輸貯存過程中變形及應(yīng)變數(shù)據(jù)的有效手段[1-2]。
現(xiàn)代結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)對于結(jié)構(gòu)損傷檢測、損傷定位、載荷檢測、結(jié)構(gòu)損傷自動修復(fù)、結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測等成為主要的支撐技術(shù)[3-4],本文采用基于CAN總線的傳輸采集系統(tǒng)在保障大型飛行器殼體結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面起著關(guān)鍵作用。
1 基于DSP的數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計
　本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng),利用現(xiàn)代工業(yè)控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過對多個分散在大型殼體結(jié)構(gòu)上的傳感器信號進行實時測量、傳輸控制及遠程顯示等,可以及時掌握大型殼體結(jié)構(gòu)各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)狀態(tài),從而保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。
　系統(tǒng)由CAN控制器芯片、DSP和PC機組成,即由CAN總線通信模塊、電壓采集和處理電路、中央控制單元三部分組成,并通過USB總線與上位機之間進行通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過節(jié)點結(jié)構(gòu)的區(qū)別可分為兩種模式:一種模式為傳統(tǒng)模式,即系統(tǒng)的各個節(jié)點都采用CPU加控制器方式來實現(xiàn),節(jié)點間的結(jié)構(gòu)都一樣,都可以對整個網(wǎng)絡(luò)進行檢測和控制,無主節(jié)點和從節(jié)點的區(qū)分;另一種模式則采用主節(jié)點和從節(jié)點的結(jié)構(gòu),主節(jié)點采用CPU加控制器結(jié)構(gòu)來檢測和控制整個節(jié)點,從節(jié)點則利用CAN總線I/O擴展器來實現(xiàn)采集和控制現(xiàn)場信號。顯然,分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)著重選擇抗干擾能力強、性能穩(wěn)定的系統(tǒng)方式和結(jié)構(gòu)元器件。研究表明,TI公司DSP器件TMS320VC5416的數(shù)據(jù)處理能力明顯優(yōu)于51系列器件,因此,系統(tǒng)的PC-CAN接口卡及各從節(jié)點采用MCP2510CAN控制器和DSP器件TMS320VC5416是可行的。
1.1 A/D采樣電路與DSP的接口設(shè)計
　鑒于TI公司的串行芯片應(yīng)用廣泛,本文設(shè)計采用其串行A/D采樣芯片?？紤]到TMS320VC5416芯片的三個McBSP接口可以方便地與SPI器件相連[5],采用了TI公司生產(chǎn)的具有SPI串行接口的TLC2574。TLC2574支持連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸,通過SPI串口與TMS320VC5416實現(xiàn)無縫對接。
　TLC2574有四種轉(zhuǎn)換模式(模式00,01,10,11),根據(jù)轉(zhuǎn)換器如何采樣和采用哪一個主機接口選擇相應(yīng)的模式。TLC2574以DSP的同步時間脈沖為基準發(fā)送和接收數(shù)據(jù),在單次模式下首先通過命令寄存器選擇某通道,才能對該通道進行A/D轉(zhuǎn)換。因為命令存儲器為4位存儲器,所以完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要30個SCLK(同步時鐘周期),其中包括存儲器需要SCLK 4個,采樣需要SCLK 12個,模擬量轉(zhuǎn)換需要SCLK 14個。需要指出的是,TMS320VC5416的McBSP接口設(shè)置十分重要,保證該接口在SPI模式下的時序與TLC2574相對應(yīng),才能使TMS320VC5416正常工作。
　通過上面對TMS320VC5416同步串行口及TLC2574外接信號的特點分析可以看出,利用兩者可以進行無縫對接的優(yōu)點,通過TMS320VC5416的同步時鐘信號作用來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸。圖1是TMS320VC5416同步串行口與TLC2574連接圖。

　考慮到充分利用TMS320VC5416的McBSP口的強大功能,設(shè)計采用TI公司的TLC2574芯片支持串行數(shù)據(jù)接收,一方面可以完美連接TMS320VC5416,支持連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸,另一方面因為該芯片有5 V模擬供電和3.3 V數(shù)字供電方式可供選擇,符合TMS320VC5416的3.3 V信號環(huán)境,可以與TMS320VC5416無縫對接,而不會出現(xiàn)其他芯片電平不匹配的問題,從而降低電路復(fù)雜程度和制造成本。
1.2 MCP2510 CAN控制器與DSP的連接
　本設(shè)計的CAN控制器采用Microchip公司生產(chǎn)的MCP2510[6]。它支持被動和主動模式的CAN1.2、CAN2.0 A/B協(xié)議,MCP2510可以接收和傳輸CAN標準幀和CAN擴展幀,并實現(xiàn)消息管理和接收過濾器功能。它有3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器,這樣可以降低處理器對消息管理的需要。通過TMS320VC5416的McBSP接口與MCP2510的SPI接口通信,其最高數(shù)據(jù)率可達1 Mb/s,已被廣泛應(yīng)用在交通及環(huán)境控制、醫(yī)療儀器、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。
　CAN控制器的總體特點:兼容CAN V2.0A/B協(xié)議,支持0~8個字節(jié)可變長度消息;能處理CAN標準幀和CAN擴展幀,速度可編程并且支持遠程幀;帶有屏蔽接收過濾器和3個發(fā)送緩沖器以及2個接收緩沖器;并有6個接收過濾器;其中發(fā)送緩沖器有優(yōu)先發(fā)送和退出的功能,接收緩沖器具有優(yōu)先消息存儲功能。
　從節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示,其硬件有高速SPI接口,可以選擇是否使能的中斷輸出腳,同時帶有可編程預(yù)分頻器的時鐘輸出;接收緩沖滿輸出腳有兩種配置方式,分別為配置為通用的數(shù)據(jù)輸出腳或者配置為接收緩沖器滿中斷輸出;并可選擇請求發(fā)送的輸入腳來作為通用數(shù)據(jù)輸出腳,或選擇作為請求發(fā)送緩沖器立即啟用消息發(fā)送的控制腳;有休眠模式,可降低能耗,低能耗CMOS技術(shù)操作電壓在3.0 V~5.5 V;休眠模式下典型電流從正常運行時的5 mA變?yōu)?0 μA。

1.3 CAN總線通信電路
　圖3為CAN的節(jié)點通信部分電路。CAN控制器用SPI接口與TMS320VC5416相連接。TMS320VC5416具有主同步串行口,經(jīng)過配置作為SPI接口的輸入口,可以實現(xiàn)最高速度1 Mb/s的SPI串口通信。在使MCP2510的片選腳置低電平的前提下,在時鐘SCK上升沿,通過SI引腳把數(shù)據(jù)或命令送到MCP2510,同時MCP2510能夠在SCK下降沿通過SO引腳送出數(shù)據(jù)。

　TMS320VC5416的中斷輸入腳連接MCP2510中斷輸出腳INT。由于MCP2510本身并沒有總線驅(qū)動能力,所以另外需要82C250這種CAN驅(qū)動器把輸出的CAN消息發(fā)送到總線上去。
　CAN驅(qū)動器82C250主要特性是:對ISO/DIS 11891標準完全兼容;抗瞬間干擾能力強,通過斜率控制可有效降低射頻干擾,可有效保護總線;能有效降低電池與地之間短路的可能;抗熱能力強;低電流待機方式;最高速率可達1 Mb/s;支持最大110個節(jié)點,任一節(jié)點的掉電不會對總線產(chǎn)生影響。
     選用Philips生產(chǎn)的PCA82C250作為CAN接口芯片。斜率控制模式通過在82C250芯片的RS腳和地之間接上30 kΩ電阻實現(xiàn)。

2 PC-CAN接口卡設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)拓撲
2.1 PC-CAN接口卡
　通過設(shè)計PC-CAN接口卡可以完成從節(jié)點與上位機之間的數(shù)據(jù)交換,解決了PC機無法和CAN總線直接通信的問題。接口卡可以雙向轉(zhuǎn)換CAN總線不同波特率和上位機的USB串口波特率,轉(zhuǎn)換上位機的USB串口與CAN總線間的電平;雙向轉(zhuǎn)換CAN總線上的數(shù)據(jù)包和上位機的USB串口比特流,數(shù)據(jù)包每幀為8 B;可以CRC檢驗傳送的數(shù)據(jù),并對錯誤的數(shù)據(jù)重新發(fā)送。
　接口卡的設(shè)計要求是硬件構(gòu)成簡單、工作可靠、性能穩(wěn)定,同時USB串口和CAN總線的通信功能在設(shè)計中亦必不可少,在較多從節(jié)點下運算速度應(yīng)滿足需要。
　此外,系統(tǒng)A/D采樣率高,為此接口需要有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬,才能實時傳輸采集信號和DSP處理結(jié)果。選用Cypress公司的CY7C68013-56PVC作為接口芯片,該芯片的USB2.0高速接口具有即插即用、便攜移動的優(yōu)點。其3.3 V的電源與DSP要求吻合,能夠直連TMS320VC5416接口。其片上帶有的2K×16 bit的FIFO,通過SLAVEFIFO,模式下的AUTO-IN/OUT方式可以方便地傳輸數(shù)據(jù)和控制命令。
　PC-CAN接口卡主節(jié)點系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)連接方案
　分布式測量系統(tǒng)連接方案如圖5所示。主機通過USB接口對主節(jié)點進行通信和控制,主節(jié)點通過CAN網(wǎng)絡(luò)與從節(jié)點1、2、3、4、…相連。

3 PC-CAN接口卡軟件設(shè)計
　為了監(jiān)測和處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),需要利用上位機軟件來監(jiān)測和控制整個CAN系統(tǒng)。實現(xiàn)上位機與從節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)和控制。
　在上位機與PC-CAN接口卡之間傳遞消息時,發(fā)送方的PC-CAN接口卡軟件需要在每一幀數(shù)據(jù)的后面附加校驗和字節(jié)。實現(xiàn)方法是PC-CAN接口卡軟件對其每一幀內(nèi)的載荷數(shù)據(jù)逐字節(jié)相加取和,然后再將總和值的低8位作為校驗和的標志值字節(jié)隨載荷數(shù)據(jù)一起發(fā)送。接收方在接收到數(shù)據(jù)幀后需要對載荷數(shù)據(jù)每一個字節(jié)相加取和,再將取和的結(jié)果與接收到的校驗和值進行對比。當(dāng)出現(xiàn)干擾產(chǎn)生誤碼時,那么兩個校驗和值不相等,即判斷舍棄該幀。若校驗和值相等則說明接收載荷數(shù)據(jù)正確。采取校驗和的方法可以大為減少誤碼出現(xiàn)的機會(顯然其并不能夠保證數(shù)據(jù)的傳送成功和絕對正確)。PC-CAN接口卡的軟件整體流程如圖6所示。

　在介紹CAN總線和分布式數(shù)據(jù)采集后,闡述了本文方案所開發(fā)的基于CAN總線的分布式測量系統(tǒng),系統(tǒng)各節(jié)點以TMS320VC5416為核心,各節(jié)點間以CAN總線連接通信,能夠搭配不同的傳感器進行各種參數(shù)的測量。最后系統(tǒng)實現(xiàn)的指標為:最多容納100個節(jié)點;CAN總線速率32 kb/s;每個從節(jié)點支持4路模擬采集通道;每個從節(jié)點支持8路開關(guān)量輸出。
參考文獻
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