摘要:针对现场总线的实时性要求,提出了一种基于DSP芯片TMS320LF2407A的CAN 总线通信技术方案,设计了基于这种控制器的CAN网络节点的硬件。在工业生产中,高效,快速,准确采集现场参数是一个非常关键的问题,而且生产现场电磁环境复杂,干扰严重。同时,针对工业生产中所产生的这个问题,给出了一种使用内嵌CAN 控制器的数字信号处理器TMS320LF2407A与A/D转换芯片ADS7864构成的数据采集系统方案。该方案硬件系统结构简单,性能可靠。详细叙述了系统的结构和软硬件设计,并且给出采用CAN总线技术与上位机通信的方案。
关键词:DSP;TMS320LF2407A;CAN;ADS7864;节点
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6828-02
CAN(Controller Area Network)即控制器局域网, 是一种多主方式的串行数控通信总线, 具有实时性、高可靠性和灵活性等优点, 现已广泛应用到汽车工业、航空工业、工业控制、自动控制、智能大厦、电力系统、安全防护等各个自动化控制领域,成为国际上应用最广泛的现场总线之一。
数字信号处理器(DSP) 是一种运算速度快、数值处理能力强的微型处理器,目前已经在通讯、图像处理、工业控制等领域得到广泛应用,CAN总线是一种通信速率高、抗干扰能力强、使用成本低的现场总线,已广泛应用于控制系统中的检测和执行机构之间的数据通信。他特别适用于系统分布比较分散、实时性要求高、现场环境干扰大的场合。
该文将TMS320L F2407A芯片和CAN总线等技术应用于系统的数据采集中,基于对转换时间和转换精度的考虑,本系统还采用了ADS7864 作为模数转换芯片。ADS7864是TI公司推出的专为高速同步数据采集系统设计的高速6通道同步采样、12位的模/ 数转换芯片。将ADS7864与TMS320L F2407A DSP 芯片构成数据采集部分,是一个较好的数据采集方案。该系统可以快捷地实现对生产过程中的电压、电流、功率、功率因数和频率等重要的参数进行实时检测、处理和传输。
1 DSP技术在通信工程上的应用
DSP技术已勇于信息技术领域,尤其在通信领域获得广泛应用。在通信与网络设备方面产品有呼叫处理系统、语音信箱系统、音频/语音处理系统、高速调制/解调器、卫星调制解调器、远程访问服务器、分享式调制解调器、多信道调制解调器、综合业务数字网、远程访问集线器、网络计算机系统、语音识别与合成系统等。
目前DSP技术正朝着进一步提高速度、降低功耗及缩小体积等方面发展。DSP器件已能在3.3V工作电压下达到执行一条指令只需几十纳秒的运行速度。这种高速工作的低功耗DSP特别适用于数字式便携电话。目前一般的处理能力为100MIPS,而内含有多个DSP的多处理型和采用VLIW结构的DSP, 其处理能力已达到1600MIPS。这可使Internet上的用户将原需10分钟下载的文件缩短为不到5秒种。
当前DSP市场有从廉价型到超高性能各类品种, 引人注目的是这些产品均以通信和多媒体应用为中心。美国德州仪器公司提出“DSP解决方案”。其含义是不仅提供分立的DSP产品也提供综合解决方案, 包括不可缺少的混合信号存储器、ASIC乃至系统软件。其背景在于支撑数字联网多媒体。
随着计算机技术、通信技术和电子技术的迅猛发展,工业生产自动化程度也日益提高,通过现场总线技术和数字信号处理技术的应用提高了系统的可靠性和可维护性。基于DSP的CAN总线通信系统在工业生产控制中起着越来越重要的作用。
2 系统硬件电路设计
2.1 TMS320L F2407A 的主要特点
美国德州仪器公司生产的TMS320LF2407A芯片将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身,特别适合于工业控制应用。内核采用哈佛结构,运算速度块,最高可达40MIPS的执行速度。具有丰富的通用输入/ 输出引脚。该芯片供电电压为3.3V,降低了控制器的功耗;还提供了符合CAN2.0B规范要求的CAN通信模块;一个16位的同步串行外围接口和串行通信接口模块;具有低成本、低功耗、高速运算能力和高性能处理能力等优点,因此该DSP芯片可以满足此系统要求。
2.2 最小系统节点设计
TMS320LF2407A的CAN控制器模块是一个完全的CAN控制器,该控制器是TMS320LF2407A的一个16位外设模块,它完全符合CAN总线的CAN210B技术规范,只需要一个CAN 驱动芯片PCA82C250,就可以很容易地使DSP芯片接入CAN总线。
图为n(最大为110)个节点控制器在CAN总线上的连接情况,构成了CAN 总线控制的局域网,如图1所示。
PCA82C50是CAN协议控制器和物理总线间的接口,它是Philip s Semiconductors公司专门为汽车中高速通讯(高达1Mbps)应用而设计的。此器件对总线提供差动发送能力,对CAN控制器提供差动接收能力,实际上担负着节点逻辑电平和CAN总线差动电平之间的电平转换任务。
在本设计方案中采用了CAN总线技术。该总线技术具有独特的机制,其主要有以下几个优点:网络节点不分主动主从;采用非破坏总线仲裁,支持竞争;传输距离远,通信速度较高,组网灵活;其报文采用短帧结构,传输时间短,受干扰小,具有自己的协议等,所以现场总线CAN 以其自身的优点有效支持分布式控制系统或成为实时控制的串行通信网络。考虑到CAN总线数据传输的高速率和抗干扰性,CAN通信方案做了如下几方面设计:DSP的CANRX和CAN TX先通过74LVC04A进行3.3V与5V的电平匹配,然后再通过高速光隔TL P113与TJA1050连接,实现了总线的电气隔离;采用了TJA1050作为驱动器代替以往的PC82C250,TJA1050的优点是完全符合ISO11898标准;高速率最高达1Mbit/s;电磁抗干扰性能好;不上电的节点不会对总线造成扰动;输出驱动器受到温度保护;至少可以连接110个节点。数字电源VCC和GND是用小功率隔离模块DC/DC进行一次隔离后得到的,增加了通信的抗干扰能力。CAN通信接口电路如图2所示。
2.3 采集模块电路设计
该部分电路采用ADS7864作为A/ D转换芯片,ADS7864是一种高速、低功耗、六通道、同时采样保证无失码的双12位A/D转换器,主要应用于电机控制、三相电源控制等领域。信号调理部分采用互感器对电网信号进行隔离变化,所选用的是电流型互感器,既可测电压也可测电流,输入/输出额定电流6mA/6mA,再采用普通运算放大器LM324构成电流电压转换器,运放工作在放大状态,输出-5～+ 5V信号。从调理部分得到的双极性模拟信号经过运算放大器OPA340组成的转换电路变成0～5V的输入信号,接入ADS7864的+IN和-IN端子,如图3所示。
ADS7864使用独立的8MHz有源时钟,由5V电源供电。TMS320LF2407A供电电压是3.3V,而ADS7864供电电压是5V,所以二者接口需电平转换,ADS7864的16位数据线经过SN74LVTH16245A电压转换芯片再与DSP相连,片选信号CS和读信号RD分别由2407A的外部I/O空间选通信号Is和读信号RD经电平匹配模块引入,它的A/D转换结束标志信号BUSY同样须经电平匹配模块引到2407A的XINT1。ADS7864同时采到6路输入信号并将它们保存在保持寄存器,然后顺序启动转换,将转换的结果分别存放在6个寄存器中,转换完后发出BUSY中断信号,DSP响应中断,顺序读出转换结果,然后再进行下一次采样、转换。
3 系统软件设计
CAN通信模块的主程序流程图如图4所示,它有多个控制对象,如电传感器器的控制、开关控制等。 它通过CAN总线发出各种控制指令和数据,总线上的其他节点按照预先的编程获取自己相应的信息。同时其主程序控制中所需的各种变量参数也主要是通过CAN总线来获取。
TMS320LF2407A的CAN控制器模块在有效工作前必须进行初始化。如图5所示,CAN控制器的位定时器初始化工作只有在配置模式下才能完成,通过编程设置主控制器MCR的CCR位为1,可以设置CAN模块为配置模式。只有全局寄存器GSR的状态位CCE置1,确认初始化请求后,才可以进行初始化操作。然后,位定时器BCRn就可以进行写操作,配置正确的CAN通信波特率、同步跳转宽度、采样次数和重同步方式。最后,通过编程将CCR位设置为0后,CAN模块正常工作模式被激活。在对邮箱初始化之前,必须禁止相应邮箱的使能位,设置每个邮箱对应使能位为0。通过编程设置主控制器MCR中的数据域改变请求位(CDR位)为1,对CAN模块发出数据域改变请求。然后,配置邮箱的标识符、控制寄存器和数据区。最后,通过编程将主控制器MCR中的数据域改变请求位(CDR位)清0后,进入正常工作模式,再设置相应邮箱的使能位为1。
4 结束语
该文将DSP和CAN总线等技术可应用在工业生产通信系统模拟量采集和测量中,详细阐述了实际应用中的数据通信节点设计、模数转换和CAN 接口电路。该系统的数据采集的速度和精度使电压、电流和功率等基本遥测量的采集、计算、分析更为快捷,CAN 通信符合现场要求,在实际应用中取得良好的效果,也为相关的工业生产控制系统中的电量检测提供了一定的参考。
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