CAN總線智能節(jié)點在潛孔鉆車平臺上的應(yīng)用

郭 然

(浙江衢州廣播電視大學(xué)，衢州 324000)

0 引言

潛孔鉆車體積龐大，傳感器布置分散，使用環(huán)境較為惡劣，傳統(tǒng)的信號采集容易受到干擾，而且由于距離較長，衰減厲害，給潛孔鉆車電氣控制帶來麻煩。CAN (Controller Area Network) 總線，也稱控制器局部網(wǎng)，屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它能提供高速數(shù)據(jù)傳送，在短距離（40m）條件下具有高速（1Mbit/s）數(shù)據(jù)傳送能力，而在最大距離10Km時具有低速（5kbits/s）傳輸能力，非常適合在潛孔鉆車電氣平臺上，實時傳送潛孔鉆車平臺上的溫度、濕度、壓力等信號到控制中心進行集中處理。

1 節(jié)點通信硬件設(shè)計

CAN節(jié)點的通信硬件電路主要由微處理器、CAN總線通信控制器和CAN總線收發(fā)器組成。其中，通信控制器是節(jié)點硬件的核心，它主要完成CAN總線的通信協(xié)議[2]。而收發(fā)器的作用是增大通信距離，保護系統(tǒng)不受干擾。本文設(shè)計的CAN節(jié)點通信芯片采用PHILIPS的SJA1000總線通信控制器，微處理器采用AVR的ATMEGA16A，收發(fā)器采用82C250，為提高抗干擾性，增加了高速光電耦合器6N137。

注意CAN通信節(jié)點兩端應(yīng)接有兩個120歐姆電阻，以匹配總線阻抗。

2 節(jié)點信號調(diào)理電路

本文設(shè)計的新型信號調(diào)理電路主要完成信號的轉(zhuǎn)換、模擬信號的低通濾波和線性隔離等任務(wù)，實現(xiàn)4~20mA的電流信號到0~5V電壓信號的線性轉(zhuǎn)換[3]。

信號調(diào)理電路的核心是Burr-Brown公司的RCV420和HP公司的HCNR201[4]。RCV420是一個精密電流環(huán)接收器，將4~20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號，性能優(yōu)異，可靠性高。輸出與輸入關(guān)系公式為：

Vo=312.5×In-1.25

HCR201是一種高線性度的模擬光電耦合器。最大非線性為0.05%，最大帶寬在1MHZ以上，耐壓指標(biāo)為5KV/min，性能穩(wěn)定，能在直流/交流、單極/雙極等條件下工作。本文設(shè)計的線性光電耦合電路如圖2所示。

輸入側(cè)使用了一個外接的反饋放大器，以監(jiān)測LED輸出的光的強度，并自動補償LED的非線性。輸出側(cè)的光電二極管PD把線性化的光強度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電流，通過輸出側(cè)的放大器轉(zhuǎn)換為電壓，從而完成高線性度的模擬電壓隔離，同時完成低通濾波器的功能。電路的轉(zhuǎn)換公式為：

根據(jù)公式可看出，Vin與Vout之間是線性關(guān)系，與LED的輸出非線性無關(guān)。電路的增益由R2和R1的比值來決定。

將上述兩部分電路組合在一起，即可構(gòu)成一個簡單實用、高精度的信號調(diào)理電路，調(diào)理電路的輸入輸出方程如下：

信號的AD轉(zhuǎn)換部分由微處理器內(nèi)部自帶10位AD完成，簡化了硬件電路，從而使整個系統(tǒng)的安全性大大提高。

3 高效率電源設(shè)計

電源是電子系統(tǒng)的心臟，是整機系統(tǒng)的一個重要質(zhì)量指標(biāo)，其性能的好壞直接影響整機的運行。針對工業(yè)現(xiàn)場情況，本文設(shè)計了一種高效率、高功率密度的DC/DC電源，采用富士通公司的MB39A135電源管理芯片[5]。MB39A135采用Nch/Nch同步整流主電路側(cè)FET Sense型電流模式。檢測線圈電流（IL）和輸出電壓（VO），進行 On Duty 的控制。該產(chǎn)品通過內(nèi)置PFM功能在全負荷領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效率工作，通過采用電流模式實現(xiàn)比過去的電壓模式更快速的負荷過渡響應(yīng)特性。

圖3 MB39A135 引腳圖

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路

該芯片有兩種工作模式：PFM/PWM 自動切換模式、PWM強制模式。其設(shè)定方法如表1所示

表1 模式設(shè)定

電源轉(zhuǎn)換電路圖圖4所示

可以通過調(diào)整圖4中的電阻R8和R9的比來設(shè)定輸出電壓，設(shè)定電壓公式為：

通過調(diào)整RT引腳處的電阻設(shè)置工作頻率，頻率公式為

通過測試，當(dāng)負載為1A時，轉(zhuǎn)換效率為93%，輸出電壓的負載調(diào)整率為0.5%，輸出電壓的波紋值為20mV，啟動時間為3mS。符合性能指標(biāo)要求。

4 總結(jié)

本文設(shè)計的CAN智能節(jié)點實現(xiàn)了將潛孔鉆車上常用的(4～20mA)模擬信號轉(zhuǎn)換成能夠進行CAN總線通信的串行通信信號，擴大信號的傳輸距離的同時提高了通信速率，并且增強了信號傳輸?shù)目垢蓴_性[6]，保證了潛孔鉆車電氣平臺信息傳輸?shù)膶崟r性與準(zhǔn)確性。節(jié)點以微控制器ATMEGA16A為核心，具有八路(4~20mA)模擬信號輸入，由CAN通信控制器SAJl000和CAN總線協(xié)議控制器PAC82C250組成CAN總線接口電路。電源采用的是一款低功耗電壓電源管理芯片MB39A138，可以根據(jù)設(shè)計可以控制輸出電壓，通過外圍電路的設(shè)計為系統(tǒng)提供各種保護功能。通過實際應(yīng)用測試，本文設(shè)計的節(jié)點具有實現(xiàn)簡單、運行穩(wěn)定、低功耗、高性價比的特點，非常適合于潛孔鉆車的使用環(huán)境，還可根據(jù)傳感器的布局任意組網(wǎng)， 使用效果良好。

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[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總線的現(xiàn)場設(shè)備控制管理系統(tǒng)[J].自動化博覽，2005.6 [5]GIANLOUCN C and ADRIANO LV.An improved CAN fieldbus for industrial applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006.5

[6]徐剛,王樹龍等.基于CAN總線的液氮泵車控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2012.12