基于CAN总线的大型壳体结构分布式测量系统

赵永刚 ，张国义 ，刘晓霏 ，薛红前

（1.西北工业大学 机电学院，陕西 西安 710072；2.首都航天机械公司，北京 100076）

目前，大型飞行器壳体运输贮存设计一般不考虑壳体柔性，但是大型火箭壳体、某些有超薄机翼的结构、特别是有大型薄壁结构的大部件则必须考虑结构体柔性，这就要求解决一系列问题，例如承载型架的效能（载荷分配、行程、效率、过载、滞后系数等）受到的影响、壳体储存能量的耗散效率等问题等。因而，研究大型壳体结构在运输贮存过程可能出现的问题并寻求解决这些问题的可行方案就具有非常重要的工程应用价值，而获得结构监测数据则是相关研究的前提和验证措施有效性的保证手段，采用基于CAN总线的分布式在线测量系统定期检测是获取大型壳体运输贮存过程中变形及应变数据的有效手段[1－2]。

现代结构监测技术对于结构损伤检测、损伤定位、载荷检测、结构损伤自动修复、结构剩余寿命预测等成为主要的支撑技术[3－4]，本文采用基于 CAN总线的传输采集系统在保障大型飞行器壳体结构监测方面起着关键作用。

1 基于DSP的数据采集节点设计

本文设计的数据采集系统是一种分布式系统，利用现代工业控制和网络技术，通过对多个分散在大型壳体结构上的传感器信号进行实时测量、传输控制及远程显示等，可以及时掌握大型壳体结构各个监测点的数据状态，从而保证结构的安全可靠。

系统由CAN控制器芯片、DSP和PC机组成，即由CAN总线通信模块、电压采集和处理电路、中央控制单元三部分组成，并通过USB总线与上位机之间进行通信。数据采集系统通过节点结构的区别可分为两种模式：一种模式为传统模式，即系统的各个节点都采用CPU加控制器方式来实现，节点间的结构都一样，都可以对整个网络进行检测和控制，无主节点和从节点的区分；另一种模式则采用主节点和从节点的结构，主节点采用CPU加控制器结构来检测和控制整个节点，从节点则利用CAN总线I/O扩展器来实现采集和控制现场信号。显然，分布式数据采集系统应着重选择抗干扰能力强、性能稳定的系统方式和结构元器件。研究表明，TI公司DSP器件TMS320VC5416的数据处理能力明显优于51系列器件，因此，系统的PC-CAN接口卡及各从节点采用MCP2510CAN控制器和DSP器件TMS320VC5416是可行的。

1.1 A/D采样电路与DSP的接口设计

鉴于TI公司的串行芯片应用广泛，本文设计采用其串行A/D采样芯片。考虑到TMS320VC5416芯片的三个McBSP接口可以方便地与SPI器件相连[5]，采用了 TI公司生产的具有SPI串行接口的 TLC2574。TLC2574支持连续的数据流传输，通过SPI串口与TMS320VC5416实现无缝对接。

TLC2574 有四种转换模式 （模式 00，01，10，11），根据转换器如何采样和采用哪一个主机接口选择相应的模式。TLC2574以DSP的同步时间脉冲为基准发送和接收数据，在单次模式下首先通过命令寄存器选择某通道，才能对该通道进行A/D转换。因为命令存储器为4位存储器，所以完成一次A/D转换需要30个SCLK（同步时钟周期），其中包括存储器需要SCLK 4个，采样需要SCLK 12个，模拟量转换需要SCLK 14个。需要指出的是，TMS320VC5416的McBSP接口设置十分重要，保证该接口在SPI模式下的时序与TLC2574相对应，才能使TMS320VC5416正常工作。

通过上面对TMS320VC5416同步串行口及TLC2574外接信号的特点分析可以看出，利用两者可以进行无缝对接的优点，通过TMS320VC5416的同步时钟信号作用来实现A/D转换数据的传输。图1是TMS320VC5416同步串行口与TLC2574连接图。

图1 TMS320VC5416与TLC2574的接口电路设计

考虑到充分利用TMS320VC5416的McBSP口的强大功能，设计采用TI公司的TLC2574芯片支持串行数据接收，一方面可以完美连接TMS320VC5416，支持连续的数据流传输，另一方面因为该芯片有5 V模拟供电和3.3 V数字供电方式可供选择，符合TMS320VC5416的3.3 V信号环境，可以与TMS320VC5416无缝对接，而不会出现其他芯片电平不匹配的问题，从而降低电路复杂程度和制造成本。

1.2 MCP2510 CAN控制器与DSP的连接

本设计的CAN控制器采用Microchip公司生产的MCP2510[6]。它支持被动和主动模式的CAN1.2、CAN2.0 A/B协议，MCP2510可以接收和传输CAN标准帧和CAN扩展帧，并实现消息管理和接收过滤器功能。它有3个发送缓冲器和2个接收缓冲器，这样可以降低处理器对消息管理的需要。通过TMS320VC5416的McBSP接口与MCP2510的SPI接口通信，其最高数据率可达1 Mb/s，已被广泛应用在交通及环境控制、医疗仪器、工业自动化等领域。

CAN控制器的总体特点：兼容CAN V2.0A/B协议，支持0～8个字节可变长度消息；能处理CAN标准帧和CAN扩展帧，速度可编程并且支持远程帧；带有屏蔽接收过滤器和3个发送缓冲器以及2个接收缓冲器；并有6个接收过滤器；其中发送缓冲器有优先发送和退出的功能，接收缓冲器具有优先消息存储功能。

从节点结构如图2所示，其硬件有高速SPI接口，可以选择是否使能的中断输出脚，同时带有可编程预分频器的时钟输出；接收缓冲满输出脚有两种配置方式，分别为配置为通用的数据输出脚或者配置为接收缓冲器满中断输出；并可选择请求发送的输入脚来作为通用数据输出脚，或选择作为请求发送缓冲器立即启用消息发送的控制脚；有休眠模式，可降低能耗，低能耗CMOS技术操作电压在3.0 V～5.5 V；休眠模式下典型电流从正常运行时的 5 mA变为 10 μA。

图2 从节点结构

1.3 CAN总线通信电路

图3为CAN的节点通信部分电路。CAN控制器用SPI接口与TMS320VC5416相连接。TMS320VC5416具有主同步串行口，经过配置作为SPI接口的输入口，可以实现最高速度1 Mb/s的SPI串口通信。在使MCP2510的片选脚置低电平的前提下，在时钟SCK上升沿，通过SI引脚把数据或命令送到MCP2510，同时MCP2510能够在SCK下降沿通过SO引脚送出数据。

TMS320VC5416的中断输入脚连接MCP2510中断输出脚INT。由于MCP2510本身并没有总线驱动能力，所以另外需要82C250这种CAN驱动器把输出的CAN消息发送到总线上去。

图3 CAN通信电路

CAN驱动器82C250主要特性是：对ISO/DIS 11891标准完全兼容；抗瞬间干扰能力强，通过斜率控制可有效降低射频干扰，可有效保护总线；能有效降低电池与地之间短路的可能；抗热能力强；低电流待机方式；最高速率可达1 Mb/s；支持最大110个节点，任一节点的掉电不会对总线产生影响。

选用Philips生产的PCA82C250作为CAN接口芯片。斜率控制模式通过在82C250芯片的RS脚和地之间接上30 kΩ电阻实现。

2 PC－CAN接口卡设计及网络拓扑

2.1 PC－CAN 接口卡

通过设计PC－CAN接口卡可以完成从节点与上位机之间的数据交换，解决了PC机无法和CAN总线直接通信的问题。接口卡可以双向转换CAN总线不同波特率和上位机的USB串口波特率，转换上位机的USB串口与CAN总线间的电平；双向转换CAN总线上的数据包和上位机的USB串口比特流，数据包每帧为8 B；可以CRC检验传送的数据，并对错误的数据重新发送。

接口卡的设计要求是硬件构成简单、工作可靠、性能稳定，同时USB串口和CAN总线的通信功能在设计中亦必不可少，在较多从节点下运算速度应满足需要。

此外，系统A/D采样率高，为此接口需要有较高的数据传输带宽，才能实时传输采集信号和DSP处理结果。选用Cypress公司的 CY7C68013－56PVC作为接口芯片，该芯片的USB2.0高速接口具有即插即用、便携移动的优点。其 3.3 V的电源与 DSP要求吻合，能够直连TMS320VC5416接口。其片上带有的2K×16 bit的 FIFO，通过 SLAVEFIFO，模式下的AUTO－IN/OUT方式可以方便地传输数据和控制命令。

PC－CAN接口卡主节点系统原理图如图4所示。

图4 接口卡主节点系统原理图

2.2 系统连接方案

分布式测量系统连接方案如图5所示。主机通过USB接口对主节点进行通信和控制，主节点通过CAN网络 与 从节点 1、2、3、4、…相连。

图5 分布式测量系统连接图

3 PC－CAN 接 口卡软件设计

为了监测和处理网络数据，需要利用上位机软件来监测和控制整个CAN系统。实现上位机与从节点之间传输数据和控制。

在上位机与PCCAN接口卡之间传递消息时，发送方的PC－CAN接口卡软件需要在每一帧数据的后面附加校验和字节。实现方法是PC－CAN接口卡软件对其每一帧内的载荷数据逐字节相加取和，然后再将总和值的低8位作为校验和的标志值字节随载荷数据一起发送。接收方在接收到数据帧后需要对载荷数据每一个字节相加取和，再将取和的结果与接收到的校验和值进行对比。当出现干扰产生误码时，那么两个校验和值不相等，即判断舍弃该帧。若校验和值相等则说明接收载荷数据正确。采取校验和的方法可以大为减少误码出现的机会（显然其并不能够保证数据的传送成功和绝对正确）。PC－CAN接口卡的软件整体流程如图6所示。

图6 PC－CAN接口卡软件流程图

在介绍CAN总线和分布式数据采集后，阐述了本文方案所开发的基于CAN总线的分布式测量系统，系统各节点以TMS320VC5416为核心，各节点间以CAN总线连接通信，能够搭配不同的传感器进行各种参数的测量。最后系统实现的指标为：最多容纳100个节点；CAN总线速率32 kb/s；每个从节点支持4路模拟采集通道；每个从节点支持8路开关量输出。

[1]张崇巍，付河，朱敏.电动叉车CAN总线控制系统中人机交互节点设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2000，23（1）：81-85.

[2]朱敏，张崇巍，谢震.CAN总线在数据采集与控制系统中的应用[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2002，25（3）：345-349.

[3]HOUSNER G W， BERGMAN L A， CAUGHEYT K.Structural control： past， present， and future[J].Journal of Engineering Mechanics， ASCE， 2003，123（9）.

[4]FUJUNO Y， ABE M.Structural Health Monitoring in civil infrastructures Research Activities at the Bridge and Structure[J].Laboratory of the University of Tokyo.Structural Healthy Monitoring and Intelligent Infrastructure，2003，11，Tokyo， Japan.

[5]任治刚，孙洪波，张泽.TMS320C54x系列 McBSP串口特性及其应用[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2001（3）：336-339.

[6]Microchip Technology Inc.MCP2510 Data Sheet[Z].2002.