基于CAN总线的电流、电压变送器的设计与实现

摘要：介绍了一种基于CAN总线技术在电流、电压变送器中的设计和应用。给出了变送器的整体结构，阐述了电流、电压的测量原理，论述了变送器的硬件组成和软件实现方法，上位机采用PCI5121适配卡与变送器进行通信。实验表明，该系统具有结构简单、可靠性高、性价比高等特点，有广阔的应用前景。

　　0.引言

　　现场总线技术和智能化仪表技术是目前自动与控制行业发展最快的两大技术。在现场总线技术中，CAN总线是发展较为迅速的一种协议标准，已经被广泛应用于自动化领域。本文介绍的是一种基于CAN总线的智能变送系统。控制器局域网（ControllerAreaNetwork,CAN）是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通信协议。CAN总线能有效地支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光导纤维。

　　1 系统网络构成

　　为满足该控制系统既要集中管理又要分散控制的要求，基于CAN总线的电流、电压变送系统采用总线式网络拓扑结构，结构简单且成本低。其网络组成方式如图1所示。

图1CAN总线的电流/电压变送系统总体结构。

　　现场CAN智能变送节点以微控制器为核心，配有CAN通信接口，其主要功能是采集各现场设备的实时数据，并通过CAN总线将采集的数据交送给监控站，供监控站获得采集数据的基本信息，从而进行数据分析。监控站（PC机）通过插槽中的CAN2PC总线适配卡实现与CAN智能测控节点的通信。在该系统结构中，并没有采用多主结构方式，而是采用了一主多从的网络架构。该方式在一定程度上减轻了网络的负荷。

　　2 CAN智能变送节点的硬件设计

　　CAN智能变送节点具有现场数据采集、控制以及与CAN总线通信功能。该节点以Microchip公司生产的具有较高性价比的8bit增强型带CAN控制器的Flash单片机PIC18F258为核心。该内置CAN模块兼容于ISO的CAN性能测试要求，位速率最大为1Mb/s,执行CAN2.0B协议规范。变送器节点主要由信号调理单元、A/D采集模块、单片机控制器和CAN总线通信模块4部分组成。该智能变送节点面向的检测对象主要是工业上使用的标准电流信号（420mA/020mA/010mA）和电压信号（05V/010V/±5V/±10V）。首先，电流、电压信号通过多路开关选择相应通道，进入信号调理环节，将信号转换成ADC可以接受同时又能有效利用ADC输入范围的电压信号。调理后的信号经过A/D转换，实现对原模拟信号的数字转换。并通过单片机I/O口存储到其内部相应RAM区，对数据进行相应的软件滤波设计。当上位机发出命令，要求下位机回送采集数据时，下位机利用CAN总线接口单元将采集数据等基本信息发送到CAN总线上。图2为系统结构的总体框图。

图2系统结构框图。

　　2.1检测电路设计

　　由于该系统对于电压、电流检测所要求的精度较高，在系统设计时并没有采用PIC18F258内置的10bitADC,而是采用美国Maxim公司生产的逐次逼近型16bit模数转换器MAX1166作为外置ADC.该芯片片内除集成了逐次逼近型ADC所必须的逐次逼近寄存器SAR、高精度比较器和控制逻辑外，还集成了时钟、4.096V精密参考源和接口电路。MAX1166的数据总线为8bit,故与目前广泛使用的8bit微处理器连接非常方便。在该系统设计中，如何实现多种电压、电流信号检测方案的设计是重点之一。

2.1.1电流检测原理

　　被检测电流经过电流检测芯片MAX472内置采样电阻RSENSE转换为电压信号，MAX951进行信号运算，将其转换为符合ADC模拟电压输入范围的信号（05V）。图3为420mA电流的检测原理图。

图3 420mA电流检测原理。

　　MAX472输出电流为

　　IOUT=ILOADRSENSE/RG1（1）

　　由此得输出电压为

　　UOUT=ILOADROUTRSENSE/RG1（2）

　　式中RSENSE---检测电阻

　　ILOAD---检测电流

　　RG1---增益电阻

　　ROUT---OUT脚输出电阻

　　由于电流检测电路是把输入的小信号电流转换为适合A/D转换的电压信号。故UOUT的范围已经被确定为ADC可允许输入的最大电压范围。将UOUT代入式（2），依据UOUT输出范围和RSENSE、ILOAD及RG值，可得ROUT值。420mA电流经过MAX472被转换为1.256.25V.MAX951对该信号进行了相应的减法运算，从而得到05V.对于020mA/010mA可通过类似方法得到ROUT阻值，从而得到相应UOUT.2.1.2电压检测原理。电压信号的处理主要是采用电阻分压的方法。通过对输入端子进行不同的输入，使得经过分压后的电压达到ADC要求的输入范围，从而满足不同电压范围输入的要求。电压检测原理如图4所示。根据UO电压推算INA、INB、INC输入范围，它们所对应的INA、INB、INC输入方法如表1所示。