CAN总线智能节点在潜孔钻车平台上的应用

郭 然

(浙江衢州广播电视大学，衢州 324000)

0 引言

潜孔钻车体积庞大，传感器布置分散，使用环境较为恶劣，传统的信号采集容易受到干扰，而且由于距离较长，衰减厉害，给潜孔钻车电气控制带来麻烦。CAN (Controller Area Network) 总线，也称控制器局部网，属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络。它能提供高速数据传送，在短距离（40m）条件下具有高速（1Mbit/s）数据传送能力，而在最大距离10Km时具有低速（5kbits/s）传输能力，非常适合在潜孔钻车电气平台上，实时传送潜孔钻车平台上的温度、湿度、压力等信号到控制中心进行集中处理。

1 节点通信硬件设计

CAN节点的通信硬件电路主要由微处理器、CAN总线通信控制器和CAN总线收发器组成。其中，通信控制器是节点硬件的核心，它主要完成CAN总线的通信协议[2]。而收发器的作用是增大通信距离，保护系统不受干扰。本文设计的CAN节点通信芯片采用PHILIPS的SJA1000总线通信控制器，微处理器采用AVR的ATMEGA16A，收发器采用82C250，为提高抗干扰性，增加了高速光电耦合器6N137。

注意CAN通信节点两端应接有两个120欧姆电阻，以匹配总线阻抗。

2 节点信号调理电路

本文设计的新型信号调理电路主要完成信号的转换、模拟信号的低通滤波和线性隔离等任务，实现4~20mA的电流信号到0~5V电压信号的线性转换[3]。

信号调理电路的核心是Burr-Brown公司的RCV420和HP公司的HCNR201[4]。RCV420是一个精密电流环接收器，将4~20mA的电流信号转换成0~5V的电压信号，性能优异，可靠性高。输出与输入关系公式为：

Vo=312.5×In-1.25

HCR201是一种高线性度的模拟光电耦合器。最大非线性为0.05%，最大带宽在1MHZ以上，耐压指标为5KV/min，性能稳定，能在直流/交流、单极/双极等条件下工作。本文设计的线性光电耦合电路如图2所示。

输入侧使用了一个外接的反馈放大器，以监测LED输出的光的强度，并自动补偿LED的非线性。输出侧的光电二极管PD把线性化的光强度转化成相应的电流，通过输出侧的放大器转换为电压，从而完成高线性度的模拟电压隔离，同时完成低通滤波器的功能。电路的转换公式为：

根据公式可看出，Vin与Vout之间是线性关系，与LED的输出非线性无关。电路的增益由R2和R1的比值来决定。

将上述两部分电路组合在一起，即可构成一个简单实用、高精度的信号调理电路，调理电路的输入输出方程如下：

信号的AD转换部分由微处理器内部自带10位AD完成，简化了硬件电路，从而使整个系统的安全性大大提高。

3 高效率电源设计

电源是电子系统的心脏，是整机系统的一个重要质量指标，其性能的好坏直接影响整机的运行。针对工业现场情况，本文设计了一种高效率、高功率密度的DC/DC电源，采用富士通公司的MB39A135电源管理芯片[5]。MB39A135采用Nch/Nch同步整流主电路侧FET Sense型电流模式。检测线圈电流（IL）和输出电压（VO），进行 On Duty 的控制。该产品通过内置PFM功能在全负荷领域实现高效率工作，通过采用电流模式实现比过去的电压模式更快速的负荷过渡响应特性。

图3 MB39A135 引脚图

图4 电源转换电路

该芯片有两种工作模式：PFM/PWM 自动切换模式、PWM强制模式。其设定方法如表1所示

表1 模式设定

电源转换电路图图4所示

可以通过调整图4中的电阻R8和R9的比来设定输出电压，设定电压公式为：

通过调整RT引脚处的电阻设置工作频率，频率公式为

通过测试，当负载为1A时，转换效率为93%，输出电压的负载调整率为0.5%，输出电压的波纹值为20mV，启动时间为3mS。符合性能指标要求。

4 总结

本文设计的CAN智能节点实现了将潜孔钻车上常用的(4～20mA)模拟信号转换成能够进行CAN总线通信的串行通信信号，扩大信号的传输距离的同时提高了通信速率，并且增强了信号传输的抗干扰性[6]，保证了潜孔钻车电气平台信息传输的实时性与准确性。节点以微控制器ATMEGA16A为核心，具有八路(4~20mA)模拟信号输入，由CAN通信控制器SAJl000和CAN总线协议控制器PAC82C250组成CAN总线接口电路。电源采用的是一款低功耗电压电源管理芯片MB39A138，可以根据设计可以控制输出电压，通过外围电路的设计为系统提供各种保护功能。通过实际应用测试，本文设计的节点具有实现简单、运行稳定、低功耗、高性价比的特点，非常适合于潜孔钻车的使用环境，还可根据传感器的布局任意组网， 使用效果良好。

[1]仲伟波,丁修方.基于CAN总线的船舶机舱延伸报警系统[J].江苏大学学报（自然科学版）,2012.3

[2]苗中华,褚剑钢等.采棉机智能监控系统CAN应用层协议设计[J].农业机械学报,2012.2

[3]IAN B and ALAN B.Timely use of the CAN protocal in critical HardReal-time systems with faults[J].IEEE Transactions on industrial electronics，2007.5

[4]王文建.基于CAN总线的现场设备控制管理系统[J].自动化博览，2005.6 [5]GIANLOUCN C and ADRIANO LV.An improved CAN fieldbus for industrial applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006.5

[6]徐刚,王树龙等.基于CAN总线的液氮泵车控制系统[J].制造业自动化，2012.12