基于CAN总线的大型壳体结构分布式测量系统

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Design of distributed measurement system of large shellstructur e based on CA busZhao Yonggang ，Zhang Guoyi ，Liu Xiaofei ，Xue Hongqian(1.School of Mechanical Engineering，Northwestern Polyteehnical University，Xi"an 7 10072，China；2.Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China)Abstract：Data acquisition system based on CAN bus was utilized to online monitor the stress and strain of shell structures oflarge flight vehicles in real time，it is an effective approach of structural monitoring.This study was based on data acquisition systemand CAN bus. took TM$320VC5416 DSP as centre， then， performed control on both data acquisition and CAN bus datatransmission.Design of hardware circuit based on TM$320VC5416 DSP data acquisition system.relevant Child node design and PC-CAN card software design were giyen。

Key WOrds：CAN bus；TM$320VC5416；distributed measurement system目前 ，大型飞行器壳体运输贮存设计-般不考虑壳体柔性 ，但是大型火箭壳体 、某些有超柄翼的结构 、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 - 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。

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《微型机与应用》2013年第 32卷第 9期为 主要 的 支撑 技 术[3-41，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 - 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总线通信拈 、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 ：-种模式为传统模式 ，即系统 的各个节点都采用欢 迎 网 上 投 稿 le of ApplicationCPU加控制器方式来实现 ，节点间的结构都-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- 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 TMS320VC54l6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 Tl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 〖 虑到 TMS320VC54l6芯片 的三个 McBSP接 口可 以方 便地 与 SPI器 件 相连15]，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 00，0l，10，11)，根据转换器如何采样和采用哪-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 - 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。

I)VDDFSRFSXDX。 DRCLKRCLKXIRQ1OIknCS#CSTAfUFS A0SDI A1SDI A；TLC2574SCLK REFPINT EOCREFM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 ，-方面可以完美连接 TMS320VC5416，支持连续 的72数据流传输，另-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[6l。它 支持 被动 和主 动模式 的 CAN1.2、CAN2.0A/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 A。

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 口的输人 口，可 以实现最高速度 1 Mb/s的 SPI串 口通信 。在使 MCP2510的片雅置低 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 S0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 。

《微型机与应用》2013年第32卷第9期F 0 -- 刚Example of ApplicationV1Okn1C5-L1o4专CAN1RX1BF Vs8RXOBF OSClINT 0SC2SCK rX2RSI TXlRS0 TXORTSCS CLK0UTRESETRXCANVdd TXCANMCP25l0 C6÷ 104-TXD R - - 。

I 82C250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-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 k1)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 ♀决了 PC机无法和 CAN总线直接通信的问题 ∮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总线问的电平 ；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 I1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TMS32OVC54l6接 口。其 片上带有 的 2Kx16 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。

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 I1对 主节点进行通信和控制 ，主节点通 过 CAN《微型机与应用》2013年第 32卷第9期网络 与从 节点 1、2、3、4、相连 。

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 PC-匹配 电阻USB主节点 广- -] l ---cr育 Host P(IZU 阻图5 分布式测量系统连接图CAN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-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 - 帧 内 的载 荷 数 据 逐字节相加韧，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-起发送∮收方在接收到数据煮需要对载荷数据每-个字节相加韧 ，再将韧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 ，即判断舍弃该郑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。

DSP端口初始化I 塑 lVMCP2510初始化计数器和看门狗初始化.I二二]二二 有 CAN消息到竺兰- - - - - - - 生----从MCP2510读消息并放人缓 冲区. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 。 . . . . . . .：!l!..........- 缓冲区指针指向下- 消息存放位置!. 。

I缓冲区消息加帧头ll和校验.向串口发送It- - - - - -"-生----- Il缓冲区指针指向下l-帧未发送消息 l图 6 PC-CAN接1：3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(下转第 77页)欢 迎 网 上 投 稿 le of Application显示界面 ，当ARM拈通过串口接收 ZigBee终端拈发给 ZigBee协调器的采集数据时，先将接收到的外部采集 数据 存储 在 ARM 模 块 内部 已经 建立 的- 个数 据库 当中，然后当 ARM触摸屏需要显示相应的数据时，将从这个数据库当中提取数据 ；同时当用户点击 ARM触摸屏来控制设备时，触摸屏会将点击的这个操作转化为指令传输到数据库 内，数据库将指令翻译成串口设备可以识别的指令 ，这个指令被串 口设备识别后 ，串口设备会将指令 打包 发送 给 ZigBee协调 器 ，协调 器识 别后 会将 指 令发送给被操作的 ZigBee终端 ，被操作的 ZigBee终端根据指令 的要求控制与它相连的设备 ，完成设备的远程操作。同时在 Linux系统内搭建 WEB服务器 .可以通过以太网对信息进行远程监控和管理 。

ZigBee支持的通信方式有直接地址通信模式、间接地 址模 式 、广播 模式 和组模 式 。家庭 网络 可采用 直 接地址通信模式。在协调器建立网络 、终端设备加入 网络的同时，发送 自己的地址信息给相应的设备进行存储 ，同时当某-设备要渎取数据信息的时候 ，发送的指令码是携带该设备的地址信息 ，当终端设备 处理完毕 、返 回数据信息的时候 ，将 向该地址的设备发送数据。这种方式保证 了无线传感网络的稳定性 ，同时也降低了能耗。

AMI体系是用户与电力部门之间的桥梁 。通过双向的信息传输 ，用户可以根据实时负荷及分时电价合理安排家 庭用 电 。原本 侧重 于舒适 性及 安全 性 的智能 家居 网络，在智能电表的信息沟通下 ，能在低碳环保领域呈现出更大 的价值 。本文 提 出了- 种在 AMI体 系下利 用ZigBee技术构建家庭节能网络的方案。该方案的重点是电网及家庭能耗信息的获劝显示 ，信息的获取对用户的决策将具有很大参考价值 。而电视 、手机、网页的全方位显示 ，将信息的披露做到没有盲区。同时，设计的智能开关为家电的智能化控制打下了基础 ，家电的自动控制过 滤掉 了用户 因为疏 忽和偷 懒 造成 电 能浪 费 的可能 .方便省力。利用 ZigBee技术的稳定性 、低功耗等优势 ，使该网络的可靠性得到增强。总之 ，该系统力 图增强 AMI体系下用户的节能意愿和行动 ，为低碳环保 的生活方式提供便捷。