基于CAN總線和DSP的雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

　1 引言

　　CAN（Controller Area Network）即控制器區(qū)域網(wǎng)，CAN總線是由德國BOSCH公司為實現(xiàn)汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊而設計的、支持分布式控制及實時控制的串行通訊網(wǎng)絡。CAN BUS現(xiàn)場總線已由ISO/TC22 技術委員會批準為國際標準IOS11898（通訊速率小于1Mbps）和ISO11519（通訊速率小于125kbps）。CAN總線開始主要應用于自動化電子領域的汽車發(fā)動機部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應用中，但隨著CAN的應用普及，CAN總線的實時性以及抗干擾能力強等優(yōu)點也逐步為航天領域所認可。

　　本文將對CAN總線在航天領域應用情況進行介紹，并在CAN總線和DSP技術研究的基礎上，設計了基于CAN總線和DSP的雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文中將重點介紹雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構組成以及CAN總線接口的設計。

　　2 CAN總線在航天領域的應用狀況

　　CAN總線開始主要應用于自動化電子領域的汽車發(fā)動機部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應用中，但隨著CAN的應用普及，其應用范圍已不局限于汽車行業(yè)，正在逐步為航天領域所認可。1995年SSTL（Surrey大學衛(wèi)星技術公司）將CAN作為星載遙測/遙控信道，隨之SSTL開發(fā)了基于CAN的分布式解決方案。至今SSTL已經(jīng)在UoSAT-12，SNAP-1，AISAT-1，UKDMC，NigeriaSAT-1，BilSAT-1 等6顆LEO衛(wèi)星中應用了CAN總線網(wǎng)絡，用于實現(xiàn)星載計算機與其他任務節(jié)點之間的通信;ESA在SMART-1上也將CAN作為系統(tǒng)總線和有效載荷總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和控制命令的傳送。

　　ESA開展的CAN技術研究表明以差分信號傳輸?shù)母咚俅锌偩€用于星載設備之間的數(shù)據(jù)傳輸能保證通信的及時性，有利于降低星載設備的功耗，有助于獲得低噪聲、抗電磁干擾性強、EMI低、信號不受電源開關狀態(tài)變化影響等優(yōu)勢，具有良好的航天應用前景。隨著航天電子技術的發(fā)展，航天電子設備綜合化程度越來越高，設備之間需要交互的信息量越來越大，CAN總線技術已經(jīng)開始在航天電子領域得到越來越廣泛的運用。

　　在國內(nèi)，CAN總線技術已在小衛(wèi)星中得到了實際的應用。隨著航天信息一體化技術的發(fā)展，CAN總線將廣泛應用于航天器的測量、控制等系統(tǒng)。CAN接口的采用將大大簡化了測量系統(tǒng)的電纜網(wǎng)，提高航天器的飛行可靠性。

　　3 雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構及功能

　　雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

　　雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由采集單元、DSP中間控制器、頂層控制中心等組成，它的組成結構如圖1所示。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同時實現(xiàn)對多區(qū)域、多單元的數(shù)據(jù)采集和信息管理控制，采用分級、區(qū)域控制的優(yōu)化控制思想，采用DSP中間控制器作為各采集區(qū)域的核心控制器，實現(xiàn)上下層間的數(shù)據(jù)交換。

　　采集單元是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成的基礎與關鍵，它直接與參數(shù)采集執(zhí)行機構相連接，實現(xiàn)對現(xiàn)場參數(shù)的采集，包括電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等。采集單元自身具有微控制器和存儲器，既作為系統(tǒng)的重要組成部分，參與系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，也可以它作為獨立單元來完成數(shù)據(jù)采集功能，即在系統(tǒng)出現(xiàn)通信等故障的情況下，采集單元仍可以獨立實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，并進行數(shù)據(jù)存儲，提高了系統(tǒng)的可靠性。采集單元通過標準的CAN總線接口，連接到Bot-CAN總線上，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

　　DSP中間控制器是整個采集系統(tǒng)的通信樞紐，提供上層網(wǎng)絡和下層網(wǎng)絡通訊的雙接口。一方面通過上層網(wǎng)絡（Top-CAN BUS）與頂層控制中心進行通訊，另一方面通過低層網(wǎng)絡（Bot-CAN BUS）與各個采集單元進行通訊。DSP中間控制器是數(shù)據(jù)采集的區(qū)域控制器，實現(xiàn)對本區(qū)域數(shù)據(jù)的收集、處理，并通過CAN總線與頂層控制中心進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)頂層控制中心對各個數(shù)據(jù)采集區(qū)域和采集單元的信息收集和控制。

　　4 CAN總線網(wǎng)絡接口的設計

　　雙層CAN總線網(wǎng)絡的主要接口包括采集單元的CAN總線接口、DSP中間控制器的雙CAN總線接口和頂層控制中心的CAN總線接口。其中采集單元的CAN總線接口采用標準的CAN總線接口，這里不再贅述。而頂層控制中心一般為工業(yè)控制計算機，可通過CAN通信卡直接連接到CAN總線網(wǎng)絡上，因此也無需多做說明，下面重點介紹具有雙CAN總線接口的DSP中間控制器的雙CAN總線接口的設計。

　　4.1 DSP芯片介紹

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計要兼顧速度特性和穩(wěn)定性,TMS320LF2407A是TI公司的一款內(nèi)置CAN模塊的DSP芯片，工作電壓3.3V。它具有內(nèi)在的操作靈活性,高速的運算能力等特點。DSP中間控制器就以這款芯片作為主控芯片。

　　TMS320LF2407A的CAN模塊完全支持CAN2.0A/B協(xié)議，CAN控制器模塊是一個完全的CAN控制器，具有可編程的位定時器、中斷配置可編程、可編程的CAN總線喚醒功能、自動回復遠程請求、總線錯誤診斷等功能，可以工作在標準模式和擴展模式，內(nèi)置6個郵箱完成數(shù)據(jù)收發(fā)，可進行自測試，CAN模塊內(nèi)各部分的結構和功能基本上和流行的PHILIPS增強型CAN控制器SJAl000相同。

4.2 DSP中間控制器上層CAN總線網(wǎng)絡接口設計

　　在上層CAN總線網(wǎng)絡接口設計中，核心芯片TMS320LF2407A的CAN模塊完全支持CAN2.0A/B協(xié)議，只需要采用一片CAN收發(fā)器即可方便實現(xiàn)CAN總線接口。設計中采用了TI公司推出的3.3V系列CAN收發(fā)器SN65HVD230D。

　　SN65HVD230D是TI公司生產(chǎn)的專門針對240X系列DSP內(nèi)CAN控制器與物理總線的接口。它的供電電壓和TMS320LF2407A一樣，僅為3.3V。SN65HVD230D CAN數(shù)據(jù)線收發(fā)器是為了在控制器之間實現(xiàn)可靠而有效的雙向數(shù)據(jù)傳輸而設計的，它符合CAN總線結構標準ISO11898。該系列器件支持傳輸速率高達1Mbps的差分信令，同時還兼容現(xiàn)有信令體系。該器件采用工業(yè)標準的PCA82C250封裝，適合雙終端傳輸線和半雙工操作。該器件輸出轉(zhuǎn)換時間，或稱轉(zhuǎn)換速率控制，是可編程的，這有助于設計人員減小電磁干擾從而提高系統(tǒng)可靠性。其接口設計如圖2所示：

　　4.3 DSP中間控制器下層CAN總線網(wǎng)絡接口設計

　　下層CAN總線硬件接口電路由主控芯片、CAN控制器、CAN收發(fā)器組成。主控芯片已選用定TMS320LF2407A，所以只需選擇合適的CAN控制器和收發(fā)器即可實現(xiàn)此接口的設計。常用的設計方式是選用PHILIPS公司生產(chǎn)的SJA1000作為CAN控制器，同時選擇PHILIPS公司的PCA82C250芯片作為CAN收發(fā)器，因此本接口設計的重點就是要實現(xiàn)DSP和SJA1000直接的接口設計。

　　TMS320LF2407A芯片的片外引腳一般采用地址線和數(shù)據(jù)線分離的設計方法，不再使用地址數(shù)據(jù)分時復用線，也沒有ALE地址有效信號，這樣就給CAN控制器與其的接口帶來一定困難。TMS320LF2407A沒有提供與SJA1000 CAN控制器的直接接口信號，以SJA1000的INTEL方式，采用以下幾點設計滿足TMS320LF2407A與CAN控制器與SJA1000的接口要求。

　　a. 地址數(shù)據(jù)復用線的設計:將TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)線D0～D7作為CAN的地址/數(shù)據(jù)復用線，用TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)線去選擇CAN的內(nèi)部端口和傳送數(shù)據(jù)。

　　b. 地址有效信號ALE的產(chǎn)生:用地址線AO、寫選通信號 和端口選通信號 的邏輯組合產(chǎn)生TMS320LF2407A的ALE信號。

　　c. 讀寫信號的產(chǎn)生:用讀寫信號和A0的邏輯組合產(chǎn)生SJA1000的讀選通信號，用寫信號和A0的邏輯組合產(chǎn)生SJA1000的寫選通信號。

　　d. 片選信號的產(chǎn)生:用TMS320LF2407A的I/O空間選通信號 和高位地址的譯碼信號的邏輯組合產(chǎn)生CAN的片選 。

　　這種方法是將DSP的數(shù)據(jù)線改為適合CAN控制器的數(shù)據(jù)地址線，為此將DSP的A0作為地址數(shù)據(jù)選擇線。AO=1時，地址有效;A0=0時，數(shù)據(jù)有效。即用奇數(shù)地址選擇端口，用偶數(shù)地址傳送數(shù)據(jù)。同時，通過信號的邏輯組合，在地址有效期間不產(chǎn)生讀寫信號，而產(chǎn)生滿足CAN的地址有效信號ALE;在數(shù)據(jù)有效期間產(chǎn)生滿足CAN的讀和寫邏輯信號。在SJA1000和TMS320LF2407A通過一片GAL芯片來實現(xiàn)接口邏輯轉(zhuǎn)換。

　　5 結論

　　本文結合CAN總線在航天領域的應用狀況，在CAN總線技術和DSP芯片功能研究的基礎上，設計了一種基于CAN總線和DSP的雙層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)充分利用DSP具有內(nèi)置CAN控制器的優(yōu)勢，設計了具有雙CAN總線接口的DSP中間控制器，采用分級、分層、區(qū)域組合的思想實現(xiàn)雙層、多區(qū)域數(shù)據(jù)信息的采集。文中給出了本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構，并設計了DSP中間控制器雙CAN總線網(wǎng)絡接口的硬件電路，將對CAN總線在航天領域的廣泛應用提供積極的參考。