基于CAN總線汽車加速度信息采集系統(tǒng)設計 本科畢業(yè)設計（論文）

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1、貴陽學院畢業(yè)設計（論文） 本科畢業(yè)設計（論文） 基于CAN總線汽車加速度信息采集系統(tǒng)設計 學 院：機械工程學院 專 業(yè)：汽車服務工程 班 級：11級汽車服務 學 號：111400401063 學生姓名：劉逍 指導老師：丁小可 2015年6月1日 基于CAN總線汽車加速度信息采集系統(tǒng)設計

2、 摘 要 隨著通訊技術.計算機技術的快速發(fā)展,CAN總線技術隨之應運產(chǎn)生,推動了測控領域的網(wǎng)絡化進程,CAN總線.屬于現(xiàn)場總線的范疇,CAN總線以其基礎構成的分布式網(wǎng)絡方便.低成本實現(xiàn)了工程實際要求,已經(jīng)逐漸成為了當今自動化領域發(fā)展的熱點之一。本文用CAN總線技術對汽車加速度進行研究,討論了汽車加速度變化所帶來的變化。繼而可以理解和使用CAN總線的特點與優(yōu)勢所在,并敘述了光電檢測技術特點及發(fā)展趨勢。而后,針對本文所選用的現(xiàn)場總線——CAN總線進行了研究討論,論述了CAN總線的工作原理并針對CAN總線的性能特點詳細分析了其分層結構協(xié)議和數(shù)據(jù)幀結構。針對光電檢測領域的發(fā)展趨勢,本文設計了一種基

3、于CAN總線汽車加速度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以CAN總線作為通信總線,采用了以DSP芯片TMS320F2812為主控制器,外接刀D轉換芯片AD977A進行數(shù)據(jù)采集轉換,并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸至顯示器。軟件采用TI公司開發(fā)的CCS作為開發(fā)環(huán)境,軟件設計采用模塊化設計方法完成了各個子模塊的設計,通過對主程序的仔細分析與設計,實現(xiàn)了各個任務的合理調度,達到了系統(tǒng)的設計要求.嵌入式工控機顯示界面采用MCGS組態(tài)軟件編寫,用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和顯示。該系統(tǒng)通用性好.可靠性高.傳輸速率快.操作方便,具有較好的應用前景。 關鍵詞: CAN總線、數(shù)據(jù)采集、汽車加速度、單片機。

4、 Abstract With the development of communication technology The development of computer technology, can bus technology will be shipped to produce, promote the process of network in the field of measurement and control, can bus. Belongs to the category of field bus, can bus as a new bus technology,

5、which has a high performance。The characteristics of high reliability, convenient bus at the base of the distributed network. Low cost to realize the practical requirements of the project, has gradually become the one of the hot topics in the automation domain today "in this paper, by CAN Bus Technol

6、ogy on vehicle speed research, discusses the changes in the vehicle acceleration changes brought about by the.Then we canunderstand and use the CANbus characteristicsand advantages,and describes thecharacteristics and development trend ofphotoelectric detection technology"and then,in the field busby

7、aCAN busresearchdiscussion,discusses the working principle ofCAN busand theCAN buscananalyze the characteristics ofthehierarchical structure forthedevelopment trend ofthe fieldof photoelectric detectionprotocol anddata frame structure this paper designs adata acquisition system ofCAN busbased on acc

8、eleration,the CAN bus as the communicationbus,using DSPchip TMS320F2812 as themain controller,the externalcutter Dconversion chipAD977A for data acquisition and conversion,andtransmits the datato the displayby-CAN bus."Software using CCS of TI company development as a development environment, softwa

9、re design using modular design method to complete the design of each sub module, through careful analysis and design of the main program, realize the reasonable scheduling of each task, meets the system design requirements. embedded industrial computer display interface using MCGS configuration soft

10、ware written to realize the data processing and display "the system has good universality! High reliability! Fast transmission speed, convenient operation, with good prospects of application。 Keywords:CAN- bus. data acquisition.automobile acceleration。 目 錄 基于CAN總線汽車加速度信息采集系統(tǒng)

11、設計 I 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 5 1.1什么是CAN總線 5 1.2 CAN總線的產(chǎn)生與發(fā)展 5 1.2.1 CAN總線的產(chǎn)生背景 5 1.2.2 CAN總線的發(fā)展過程 5 1.3 CAN總線的特點 6 1.4 CAN總線的優(yōu)點 6 1.5 光電檢測領域 7 1.5.1光電檢測的特點 7 1.5.2光電檢測技術的發(fā)展趨勢 8 1.6 本文的主要研究內(nèi)容 8 第2章 CAN總線技術 9 2.1 CAN總線介紹 9 2.2 CAN總線的基本工作原理 9 2.3 CAN總線的特點 9 2.4 CAN協(xié)議分析 10

12、 2.4.1CAN協(xié)議的分層結構 10 2.4.2報文傳輸及其幀結構 12 第3章 系統(tǒng)硬件電路設計 15 3.1系統(tǒng)硬件設計整體框架 15 3.2 DSP系統(tǒng)及外圍電路設計 15 3.2.1 TMS320F28-2功能介紹 15 3.3電源模塊設計 17 3.4信號變換電路 18 3.5信號放大電路 18 3.6信號采集電路 20 3.7 CAN總線接口電路 20 第4章系統(tǒng)軟件設計 22 4.1汽車加速度數(shù)據(jù)采集模塊軟件設計 22 4.2汽車加速度的CAN總線通信軟件設計 23 4.2.1汽車加速度數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受 23 4.3 CAN總線在汽車加速度信息采集

13、的設計電路圖 24 4.4汽車加速度信息采集電路設計 25 第5章 抗干擾措施和系統(tǒng)調試 26 5.1硬件抗干擾措施 26 5.1.1電路的抗干擾設計 26 5.1.2電源部分的抗干擾設計 27 第6章 結論 28 參考文獻 29 II 第1章 緒論 1.1什么是CAN總線 CAN總線,總的說來它其實就是由現(xiàn)場總線的局限性，不能滿足一些自動化領域的技術所產(chǎn)生的一種技術,它主要是作用于現(xiàn)場設備之間、和控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)、數(shù)字通信的技術。整體來說它不僅僅是一種通信技術,也不僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表,而是一種采用新型的CAN總線控制系統(tǒng)FCS來替換其

14、他傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS來實現(xiàn)通信網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)的集成。CAN總線在當今的自動化領域發(fā)展是十分的迅速,被譽為自動化領域計算機局域網(wǎng),這是因為作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的基礎,具備其他技術所不具備的先決條件。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)據(jù)通信相結合的綜合性技術,己得到世界范圍的認可。因而CAN總線變成自動化技術發(fā)展的大熱門,并會使得自動化系統(tǒng)結構快速發(fā)展。 1.2 CAN總線的產(chǎn)生與發(fā)展 1.2.1 CAN總線的產(chǎn)生背景 CAN總線的產(chǎn)生背景、很久一段時間以來。計算機領域的數(shù)據(jù)傳輸都在用RS232等的標準,盡管它們一直都有人應用,但卻一直存在很多問題。比如通訊速率慢只能點對點傳輸,根本無法

15、支持更高級的計算機之間的功能操作等缺點。還有在復雜或大規(guī)模的應用中需要使用大量的傳感器.執(zhí)行器和控制器等,但是如果采用新的的LAN組件及環(huán)型或總線型拓撲結構,雖然可以減少電纜長度,但是增加的LAN介質及相關硬件和軟件又使其系統(tǒng)造價與新型系統(tǒng)差不多。所以在整個網(wǎng)絡的底層上的確需要設計出一種造價低廉而又能適應工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的通信系統(tǒng),CAN總線就是在這種情況下出現(xiàn)的。 1.2.2 CAN總線的發(fā)展過程 CAN總線是20世紀后期的時候在國際上才發(fā)展起來的,它在先前的模擬儀表的基礎上加上了計算功能的微處理器芯片,在輸出的直流信號上插入了數(shù)字信號,使得現(xiàn)基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設計場裝置

16、與控制室裝置之間的連接由模擬信號轉過到了數(shù)字信號。在此前提上,美國Rosemount公司研制出了自機HART數(shù)字通信協(xié)議。始于1986年在Montrea的IEC技術委員會Te65C會議上決定由prowayWorkingGroup小組負責此項工作。這個小組在1986年到1987這兩年期間年公布了一組CAN總線的功能需求。而在此時其他一些國際機構或實力出眾的公司也開始了這項工作。 1.3 CAN總線的特點 CAN總線控制系統(tǒng)具有很多其他通信網(wǎng)絡所不具備的有點,除此之外還是一個全分布式的控制系統(tǒng)其主要的特點如下幾點； （1）低成本； （2）極高的總線利用率； （3）很遠的

17、數(shù)據(jù)傳輸距離(長達10Km)； （4）高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mbit/s）； （5）可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文； （6）可靠的錯誤處理和檢錯機制； （7）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)； （8）節(jié)點在發(fā)生錯誤且情況很嚴重的情況下具有自動退出總線的功能； 因此它是一項以智能傳感器、控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡為主要內(nèi)容的綜合性技術。其主要的技術特點如下： (1) CAN總線的系統(tǒng)結構具有高度的分散性、它是一種全新的分布式控制系統(tǒng)的體系結構,正因為如此這極大地簡單化了系統(tǒng)結構便于使用。 (2)對現(xiàn)場環(huán)境的適應性CAN總線支持雙絞線、同軸

18、電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有特別厲害的抗干擾能力,可以采用兩線制實現(xiàn)供電和通信這兩項技能,并可以滿足安全防爆的要求。由于CAN總線結構簡單,所以不要使用DCS系統(tǒng)的信號調理，轉換隔離等功能單元和其他復雜的接線,節(jié)省了硬件數(shù)量和投資簡單的連線設計,節(jié)省了安裝費用。設備具有自診斷與簡單處理故障的能力,極大的減少了維護工作量。設備的互換性，智能化，大大提高了系統(tǒng)的準確性和可靠性,而且還它還具有設計簡單,易于重新構造等優(yōu)點。 1.4 CAN總線的優(yōu)點 (l)CAN總線具有實時性強、抗電磁干擾能力強、成本低和傳輸距離較遠等優(yōu)點。采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可以在高噪聲干擾環(huán)境中工作

19、。具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN控制器接到其上面，形成多主機局部網(wǎng)絡?？筛鶕?jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文.可靠的錯誤處理和檢錯機制.發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)。 (2)節(jié)省安裝費用.CAN總線系統(tǒng)的接線方式其實是十分簡單,容易操作的，由于一對雙絞線或者是一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量可以大大的減少,連線設計與接頭校對的工作量也大大減少"當我們需要增加現(xiàn)場控制設備時,根本就不需要增設新的電纜,我們可以就近連接在原有的電纜上,不但大大的節(jié)省了投資,而且還減少了設計.安裝的工作量。 (4)根據(jù)CAN總線設備的智能化.數(shù)字化來看，它從根本上提高

20、了測量與控制的準確度,減少了傳送誤差。與此同時,由于系統(tǒng)的結構簡化,使得設備極大的減少,設備也減少一些，現(xiàn)場儀表的功能加強,提高了系統(tǒng)的工作可靠性.除此此外,由于它的設備標準化和功能模塊化,因而還具有設計通熟易懂,易于運用等優(yōu)點。 1.5 光電檢測領域 光電檢測技術是一門新興的檢測技術。與其他技術運營相比這門技術其實就是充分利用電子技術對光學信息進行分析、檢測并下一步的傳遞、儲存、計算、控制和顯示等。 1.5.1光電檢測的特點 光電檢測技術其實很簡單的，就是將光學技術與電子技術相結合實現(xiàn)對各種量的測量,它具有如下這幾點特點。 (l)高精度、光電檢測的精度是將所有檢測技術中精度最高的一

21、種。 (2)遠距離大量程、光是最便于遠距離傳播的介質,特別適用于遙測和遙控,例如光電跟蹤、武器制導、電視遙測等。 (3)壽命長.其實在理論上光的傳播是用不會有任何的磨損的,只要復現(xiàn)性做得好,那么我們就可以認為它可以長久的使用。 （4)具有超強的信息處理和運算能力,可以將及其錯綜復雜信息并行處理，而且當我 們用光電方法還可以便于信息的控制和存儲,易于實現(xiàn)自動化,易于與計算機連接,易于實現(xiàn)智能化等.真的是不得了啊。 1.5.2光電檢測技術的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代檢測技術是現(xiàn)代一切科技和當代工業(yè)部門能正常運轉的基礎之一。光電檢測技術不但是是現(xiàn)代檢測技術中的中及其重要組成部分

22、,而且隨著發(fā)展其重要性也是越來越有明顯的體現(xiàn).其表現(xiàn)在以下方面： (l)發(fā)展納米、因為納米高精度的光電檢測是現(xiàn)在的新技術。 (2)發(fā)展小型的、快速的微型光機電檢測系統(tǒng)。 (3)非接觸、快速在線測量。用來以滿足快速增長的商品經(jīng)濟的需要。 (4)要努力向人們無法觸及的領域發(fā)展，這樣才會取得更大的進步。 隨著現(xiàn)代微處理器技術的發(fā)展,作為機器人的視覺系統(tǒng)已經(jīng)被人們提到議事日程上,它直接影響著機器人的發(fā)展和完善。 1.6 本文的主要研究內(nèi)容 針對當代汽車的發(fā)展趨勢,本文設計了一種基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并將其應用于汽車的加速度測量中由于在汽車各個部件中

23、,有著各種各樣的干擾源以及不可預見的情況發(fā)生。因此要求整個系統(tǒng)都必須具有很高的抗干擾能力和糾錯能力,同時還需要對各種模擬與數(shù)字信號進行及時的傳輸,并且對傳感器發(fā)出的命令與數(shù)據(jù)做到實時的響應"這就要求被選擇的總線標準精確可靠.抗干擾性強.實時性高。己經(jīng)成為該應用領域發(fā)展的一大趨勢。其主要優(yōu)點如下幾點: (1)總線訪問的優(yōu)先權是取決于報文標識符,這樣就使得多主設計變成為了可能。 (2)非常強的錯誤處理能力,這樣就為系統(tǒng)的可靠運行創(chuàng)造非常良好的條件。 第2章 CAN總線技術 2.1 CAN總線介紹 CAN總線全名應該是“控制器局域網(wǎng)絡總線”。是BOSCH公司20世紀80年代

24、為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)轉換而研發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信技術。它是總線的一種與我們常見的USB總線屬于一類技術，只不過CAN總線采用差分信號傳輸、有很強的錯誤識別、通信距離長、因此被用到一些特殊的場合，比如汽車、加工廠等干擾較強的地方。CAN總線被廣泛應用于汽車、火車、輪船、機器人、機械制造、數(shù)控機床等領域。 2.2 CAN總線的基本工作原理 CAN總線的結構是一中很典型的串行總線的結構形式。CAN總線中一個節(jié)點發(fā)送信息,再由多個節(jié)點接收信息。正因為如此CAN總線的信息存取方式使用的是一種廣播式的存取工作方式，這種方式完全不同于令牌方式和主從方式。與其他網(wǎng)絡不同,在

25、CAN總線的通信協(xié)議中,它支持的是基于報文的工作方式，所以既不會有節(jié)點地址的概念,也沒有任何與節(jié)點地址相聯(lián)的信息存在。也就是說,CAN總線面向的是數(shù)據(jù)卻不是節(jié)點,因此加入或者撤銷節(jié)點設備是不會影響網(wǎng)絡的工作,十分適用于控制系統(tǒng)要求快速、可靠、簡明的特點。 基于CAN總線的汽車加速度信息采集處理系統(tǒng)的設計另外一個好處是新的節(jié)點可以隨時方便地加入到現(xiàn)有的系統(tǒng)中,而不需對所有節(jié)點進行重新編程以便它們能識別這一新節(jié)點。一旦這個新節(jié)點加入到網(wǎng)絡中,它就開始接收信息,判別信息標識,然后將所得的信息通過傳感器發(fā)送到顯示器上，繼而得到我們要得到的信息。 2.3 CAN總線的特點 （1）低成本

26、； 現(xiàn)在用一個控制器和收發(fā)器就夠了。在相對復雜的遠距離網(wǎng)絡中性價比比較高,可靠性也是降低后期成本的主要原因。 （2）極高的總線利用率； 有完善的仲裁機制。而且可以使用硬件自動完成仲裁。所以，在負載比較大的網(wǎng)絡中比較適用，不容易出現(xiàn)因為擁堵導致的通信錯誤和總線癱瘓。 （3）很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離(長達10Km)； 距離就看收發(fā)器的能力了。而且CAN協(xié)議是不限制傳輸介質的，也就是說使用光纜可以繞地球一圈。 （4）高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mbit/s）；CAN一般都是用獨立的硬件，所以可以使用較高的波特率。 不過這些優(yōu)點都是在特定的條件下才成立的。比如一個小網(wǎng)絡

27、，安全要求又很低。那么can的成本反而很高。 2.4 CAN協(xié)議分析 2.4.1CAN協(xié)議的分層結構 CAN總線遵從150/051模型,以確保可以在任何兩個CAN器件之間建立兼容性。但是考慮到CAN總線主要應用于工業(yè)控制底層網(wǎng)絡,其單次傳輸?shù)男畔⒘坑直容^小,實時性要求較高,因此綜合考慮150/051基準模型,將CAN結構劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,其分層結構如圖2.1所示,而應用層可以由用戶自行定義。 圖2.1 CAN總線的分層結構 物理層 (1)物理信令(PLS-physiealSignaling)用于實現(xiàn)與位表示定時和同步相關的功能。 (2)物理媒體附屬裝置(

28、PMA)用于總線發(fā)送與接收的功能電路,并且可以提供總線出故障時的檢測方法。 (3)媒體相關接口(MDI)用來作用于物理媒體和MAU之間的機械以及電氣接口。 數(shù)據(jù)鏈路層 按照IEEE802.2和802.3標準,數(shù)據(jù)鏈路層又可劃分為邏輯鏈路控制(LLC一LogicLinkContr01)與媒體訪問控制(MAC-MediumAccessControl)兩個部分LLC子層:主要負責幀接收濾波、超載通知和恢復管理。在丟失仲裁情況下,可以退出仲裁并轉入接收方式、構造出錯幀并開始發(fā)送;接收功能主要包括.接收媒體訪問管理以及接收數(shù)據(jù)卸裝。CAN總線的通信線路由兩根導線組成,分別由CAN-

29、H和CAN-L組成，網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都掛接在該總線上,并且都通過這兩根導線交換數(shù)據(jù)?？偩€上某一時刻顯現(xiàn)的數(shù)值由兩根導線上電壓VCAN一和VCAN_L的差值表示。該差分電壓Vdiff可表示顯性和隱性兩種互補的邏輯數(shù)值.而在隱性狀態(tài)下差分電壓Vdiff近似于顯性狀態(tài)Vdiff則大于一個最小值。在CAN總線標準通信協(xié)議中規(guī)定顯性表示邏輯0,而隱性則表示邏輯1。 當在總線上同時出現(xiàn)顯性位和隱性位同時發(fā)送時,節(jié)點發(fā)送驅動電路的設計使得總線數(shù)值表現(xiàn)為顯性.在總線空閑位期間,總線則會將表現(xiàn)隱性狀態(tài)顯性狀態(tài)改寫隱性狀態(tài)啟動發(fā)送并進行各節(jié)點之間的同步。 2.4.2報文傳輸及其幀結構 CAN總線技術

30、規(guī)定在報文傳輸過程中,發(fā)送報文的單元稱為該報文的發(fā)送器。該單元在總線丟失總線仲裁之前恒為發(fā)送器、如果一個單元不是報文發(fā)送器,并且總線不處于空閑狀態(tài),則該單元為接收器。對于報文的發(fā)送和接收,其實際有效時刻是基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設計不同的。按功能大致可以具體分為以下四種： 數(shù)據(jù)幀:數(shù)據(jù)幀會將數(shù)據(jù)從發(fā)送器發(fā)送至接收器。 遠程幀:總線單元發(fā)送數(shù)據(jù),請求發(fā)送具有同識別符的數(shù)據(jù)幀。 錯誤幀:由檢測到總線錯誤的任何單元發(fā)出錯誤幀。 過載幀:過載幀用以在先行和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀之間提供一附加的延時。 以下將逐一對各幀的結構做詳細介紹； (l)數(shù)據(jù)幀

31、數(shù)據(jù)幀由7個不同的區(qū)域組成，幀起始(StartofFrame)、仲裁區(qū)域(AthitrationField)、控制區(qū)域(ControlField)、數(shù)據(jù)區(qū)域(DataField)、CRC區(qū)域(CRCField)、應答區(qū)域(ACKField)、幀結尾(EndofFrame)、數(shù)據(jù)區(qū)域長度可為0。其結構如圖2.2所示： 幀起始 仲裁區(qū)域 控制區(qū)域 數(shù)據(jù)區(qū)域 CRC區(qū)域 ACK區(qū)域 幀結束 圖2.2數(shù)據(jù)幀結構 ①幀起始(SOF) 幀起始標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始,僅由一個顯性位構成、只有在總線處于空閑狀態(tài)時才會允許節(jié)點開始發(fā)送，所有站都必須同步于首先開始

32、發(fā)送的那個站的幀起始前沿。 ②仲裁場 圖2.3數(shù)據(jù)幀標準格式中的仲裁場結構 而在擴展格式中,仲裁場由29位標識符、SRR位、IDE位和RTR位組成,標識符為ID.28——ID.0、如圖2.4所示； 圖2.4數(shù)據(jù)幀擴展格式中的仲裁場結構 ③控制場 控制場其實是由6位組成.所發(fā)送的保留位必須為/顯性0。接收器接收所有由顯性和隱性來組合在一起的他們的組合結構如下圖2.5所示： 圖2.5控制場結構 數(shù)據(jù)長度代碼代表數(shù)據(jù)場中字節(jié)數(shù)量，數(shù)據(jù)長度代碼為4位,具體分配如表2.1所示； 表2.1數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)編碼 ④ 數(shù)據(jù)場 數(shù)據(jù)場是由數(shù)據(jù)幀

33、中被發(fā)送的數(shù)據(jù)所組成。 ⑤ CRC場 CRC場包括CRC序列,其后是CRC界定符CRC序列由循環(huán)兀余碼求得幀檢查序列組 (2)遠程幀 遠程幀由6個不同的位場組成分別是:幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。與數(shù)據(jù)幀相反,遠程幀的RTR位是隱性位，遠程幀沒有數(shù)據(jù)場,DLC的數(shù)值沒有用的,它可以是0到8中的任何數(shù)值,這一數(shù)值為對應數(shù)據(jù)幀的DLC其結構如圖2.6所示： 幀起始 仲裁區(qū)域 控制區(qū)域 CRC區(qū)域 ACK區(qū)域 幀結束 圖2.6遠程幀結構 第3章 系統(tǒng)硬件電路設計 3.1系統(tǒng)硬件設計整體框架 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

34、結構如圖3.1所示；本系統(tǒng)由DSP模塊、信號處理與放大電路、A/D轉換電路、電源模塊、CAN總線通信接口組成。 圖3.1系統(tǒng)結構示意圖 傳感器輸出的信一號經(jīng)過放大調理電路后,由AD轉換芯片AD977A進行模數(shù)轉換,利用DSP強大的數(shù)字運算能力,將其采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波并通過CAN總線實時傳輸至嵌入式工控機。嵌入式工控機采用北京昆侖通態(tài)公司生產(chǎn)的具有TFT液品廣泛示觸摸屏的高性能嵌入式個體化工控機。該產(chǎn)品能將采集到的數(shù)據(jù)通過可視化的界面實時的顯示出來,極大的提高了工作效率。 3.2 DSP系統(tǒng)及外圍電路設計 3.2.1 TMS320F28-2功能介紹 TMS320F28——2

35、的DSP芯片有以下特點; (l)采用非常厲害的CMOS技術,I/0供電電壓及Flash編程電壓為3.3V,內(nèi)核供電電壓為l.8V(135MHz)或l.9V(150MHz),減小了控制器的消耗,150MIPS(百萬條指令/秒)的指令執(zhí)行速度使得指令周期大大的縮小,從而提高了控制器的控制力。 (2)支持JTAG接口。 (3)4KX16位的引導ROM具有軟件引導模式和保存了標準的數(shù)學函數(shù)表。 (4)3個32位的CPU定時器。 (5)兩個事件管理器(EVA、EVB)可以進行電機控制。 (6)包含串行外設接口(SPI)、兩個串行通信端口(SCI)即標準的UART、CAN總線通信接口(eCAN

36、)及多通道緩沖串口(MCBSP)。 (7)工作環(huán)境溫度范圍:A:-40到85.C,S/Q:-40到125，eF2812芯片的功能框圖如圖 圖3.2F2812功能框圖 如圖3.2所示,TMS32OF2812片內(nèi)提供了豐富的存儲器資源,如128K字的FIJASH程序存儲器,IK字的OTPROM。其中FLASH空間被劃分4個SK字和6個16K字的段,每個段可以單獨被擦除、編程和使用,而不影響其它的段空間。TMS320F2812還包括2個4K字的SARAM(LO和L1),SK字的SARAM(HO),IK字的SARAM(MO和Ml)總共ISK字的SARAM,這些SARAM快可以映射到程序

37、存儲器空間,也可以映射到數(shù)據(jù)存儲器空間。在編寫命令文件時要格外注意各個存儲空間的分配地址和使用要求。 TMS320F2812芯片主要由三個主要的功能單元組成:C28CPU核、內(nèi)部存儲器以及外圍設備。除了這三個主要功能單元外還提供若干系統(tǒng)級的特性,如XINTF外部接口、JTAG仿真接口、系統(tǒng)復位控制、中斷、系統(tǒng)時鐘和低功耗模式以及看門狗定時器等。TMS320F2812外圍電路設計TMS320F2812外圍電路設計如圖3.3所示； 圖3.3DSP系統(tǒng)及外圍電路設計 DSP外部晶振選用30MHz,經(jīng)過DSP內(nèi)部5倍頻后,可以使DSP工作在150MHz。電源芯片采用TI公司生產(chǎn)的專用DSP電

38、源芯片,可以提供3.3V和1.8V;外擴RAM采用美國SST公司生產(chǎn)IS6lLV12816-10,它是一種3.3V供電的高速COMS靜態(tài)RAM。 3.3電源模塊設計 系統(tǒng)通過外部的+24V直流穩(wěn)壓電源進行供電,需轉換成適合芯片工作的電壓。電路圖如圖3.4所示： 圖3.4電源電路 3.4信號變換電路 NSP的電源芯片采用TPs767D315芯片TPs767n315是T1公司推出的雙路低壓差電源調整器,主要應用在需要雙電源供電的DSP設計中具有可單獨供電的雙路輸出,一路固定輸出電壓為3.3V,另一路固定輸出電壓為l.8V,每路輸出電流的范圍在O一IA,且具有超低的典型靜態(tài)電流(85p

39、A),器件無效狀態(tài)時,靜態(tài)電流僅為1A。 除了這個數(shù)字傳感器外,其他的大多數(shù)傳感器都是吧模擬非電量轉換為成為模擬電量,而且這些模擬電量通常都不適合直接用數(shù)據(jù)采集電路進行數(shù)字化放大器AD620。 圖3.5 DSP電源變換電路 3.5信號放大電路 除數(shù)字傳感器外,很多數(shù)傳感器都是將模擬非電量變換為模擬電量,而且這些模擬電量一般不適合直接用數(shù)據(jù)采集電路進行數(shù)字化,還需要進行一定的信號調理放大,才可以進行A/D轉換，運算放大器采用儀表放大器AD620。AD620結構如圖3.6所示； 圖3.6AD620的引腳圖 引腳功能如下表所示； 表3.1引腳圖 運算放大器采用儀

40、表放大器AD620。AD620是美國AD公司的產(chǎn)品,是一種完整的單片儀表放大器,提供8引腳DIP和SOIC兩種封裝,供電電源范圍為士2.3V到+l8V,最大工作電電流僅為1.3mA,最大輸入失調電壓為125pV,最大失調電流為50pA。AD620是傳統(tǒng)AD524儀表放大器的第二代產(chǎn)品,并且包含一個改進的傳統(tǒng)三級運放電路[26][27]。AD620具有很高的精度、漂移小、噪聲低、且只用調節(jié)儀外部電阻RI就可改變信號增益大小,使用方便,信號增益、AD62O可以用于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),作為各種微弱信一號的前置調理器。多年來,AD62O已經(jīng)成為工業(yè)標準的高性能、低成木的儀表放大器。 3.6信號采集電

41、路 在對輸出信號進行放大預處理后,必須先對信號進行采樣、模擬——數(shù)字轉換,然后才能由數(shù)字信號處理器DSP對其進行采集和數(shù)字濾波處理。信號采集電路如圖3.7所示: 圖3.7信號采集電路 該系統(tǒng)選擇使用芯片AD977A完成數(shù)據(jù)采集。AD977A是美國AD公司的 低功耗的16位逐次逼近型模數(shù)轉換器,它主要有以下特性； (l)單電源SV供電,內(nèi)部2.5V參考電壓可選。 (2)最高采樣速率200kSPS。 (3)高速串行數(shù)據(jù)接口。 (4)低功耗,最大功耗100mw,省電模式下50pw。 (5)輸入電壓范圍:單極性0—4V,O—5V和0—10V，

42、雙極性-3.3v—+3.3V,和-10V—+10V、高速-8V到—8V。 3.7 CAN總線接口電路 CAN總線器件有兩種選擇方案:其中一種是片內(nèi)集成CAN的微控制器，這其中有一下這些控制器；P8XC591/2、MC6s376、es05lFo4o/1等;另一種則是獨立的CAN控制器,如philips公司的SJA1000、82CZOO,intel公司的82526等,但是獨立的CAN控制芯片需要外接一個微處理器才能運行。為了簡化設計,提高可靠性,本文設計中選用TMS320F2812則是帶有CAN控制器的微控制器,這樣大大簡化了接口電路設計,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體的CAN總線接口電路如圖3.8

43、所示； 圖3.8CAN通信接口電路 第4章系統(tǒng)軟件設計 4.1汽車加速度數(shù)據(jù)采集模塊軟件設計 An轉換的數(shù)據(jù)經(jīng)過SPI總線發(fā)送至DSP上。一般SPI用于DSP處理器與外部芯片以及其他處理器之間進行通信。常有的應用包括諸如移位寄存器、顯示驅動器、模數(shù)轉換器(ADCS)。由于該總線所使用的接口線較少,通信效率高,并且大部分處理器芯片都適合,同時它有標準的傳輸協(xié)議，而且速度快,能夠同時收發(fā),因而得到了廣泛地應用。該系統(tǒng)中,DSPTMS320F2812作為主設備,AD977A作為從設備,通過DSP的GPIO口來控制AD977A的片選,轉化工作狀態(tài)

44、,然后在DSP提供的時鐘脈沖的作用下,把AD977A轉換的結果存到指定的地址單元。AD977A的工作時序圖如圖4.1所示； 圖4.1工作時序圖 首先是通過DSP的相關寄存器設置,把其配置為從模式、接著對SPI的字長,波特率,時鐘模式等進行相應配置。然后由TMS320F2812片內(nèi)定時器產(chǎn)生的定時中斷,定時啟動AD977A工作。當定時器產(chǎn)生中斷,在執(zhí)行中斷服務程序后,使GPIO輸出高電平,當側C引腳變成高電平后,AD977A進入讀取轉換結果模式。這時,由DSP運行讀取轉換結果程序,為AD977A提供外部時鐘,然后向DSP傳輸上次轉換結果。需要注意的是,數(shù)據(jù)是從高位到低位串行傳輸,一共16

45、位,如果選擇在時鐘上升沿讀取數(shù)據(jù),則需要向AD977A提供17個時鐘脈沖。在讀取完上次轉換結果后,使引腳GPIOBO輸出低電平,即將側C引腳拉低。這時,AD977A進入采樣轉換模式,并自動啟動新的一次采樣和模數(shù)轉換。在AD977A進行采樣轉換的過程中,BUSY引腳將會保持低電平到采樣轉換結束,在這期間,DSP不能讀取AD977A中的轉換結果。新的一次轉換結果,會在下次定時器中斷產(chǎn)生時再讀取。這樣設計的主要目的是,將采樣轉換和數(shù)據(jù)傳輸這兩個過程分時進行,避免了數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生的電磁干擾對模擬信號采樣轉換造成影響,降低轉換結果的精確度。表4.1是分別采集0.5v和1.98V恒定直流電壓源時的結果,將

46、10次采樣結果取平均值后得出.真實值為O.SV時,采集到的平均電壓為O.496V,誤差為0.8%、與真實值為1.98V時,采集到的平均電壓為1.971V,誤差為0.5%。從這兩組數(shù)據(jù)中可以看出,AD雖然存在著一定漂移,但是目前的精度完全可以滿足CAN總線的需要； 表4.1.1 4.2汽車加速度的CAN總線通信軟件設計 TMS320F2812DSP的CAN控制器模塊設計中,由于其內(nèi)部自帶了一個32位外設模塊的CAN控制器模塊,所以只要對用來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的郵箱以及其各自控制寄存器進行正確的設置,就可以實現(xiàn)微控制器和CA

47、N控制器之間的通信CAN通信模塊的軟件設計主要包括下列三個部分:系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊，再加上中斷處理、信息處理、總線睡眠與喚醒處理。 4.2.1汽車加速度數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖如圖4.3.2所示: 圖4.2.2系統(tǒng)程序流程圖 4.3 CAN總線在汽車加速度信息采集的設計電路圖 圖4.3.1 工作原理：發(fā)動機光電傳感器轉速傳感器采集加速度信號，CAN總線收發(fā)送器把轉速傳感器傳出的轉速信號，轉速信號經(jīng)過CAN總線控制器緩沖整理電路將原始轉

48、速信號轉化為系統(tǒng)所需要的信號，即矩形脈沖信號，轉化后的信號再經(jīng)CAN總線將其傳輸?shù)轿⑻幚砥鲉纹瑱C中進行處理分析以及運算，在微控制器中用定時器轉化后得到的矩形脈沖信號進行測量，將處理后的信號放在ROM存儲器中，然后再把讀取到相對應的加速度信號發(fā)送到CAN控制器中，在總線網(wǎng)絡中CAN控制器執(zhí)行是完整的CAN協(xié)議，然后CAN接收發(fā)送器接收到的數(shù)據(jù)信息，將CAN控制器的邏輯電平信號轉換為總線上能識別預定好的總線協(xié)議，再將信號傳輸?shù)綌?shù)模轉換器（A/D轉換器）轉換成相應的信號，最后把信號傳輸?shù)筋A定的顯示器中顯示，同時以報文形式從CAN總線傳送到LED指示燈，最后使指示燈作出相應的指示。 4.4汽車加速度

49、信息采集電路設計 圖4.4 第5章 抗干擾措施和系統(tǒng)調試 5.1硬件抗干擾措施 所謂的干擾就是除了系統(tǒng)所用信號以外的噪聲或者是給造成系統(tǒng)不能正常工作的破壞因素。對于大多數(shù)儀器儀表來說,在它們工作的時候一定會存在著大量干擾因素,這要設計的時候必須要充分考慮的外在因素。設計人員在設計階段就必須做好充分準備,做好必要的抗干擾措施，不然的話實驗的數(shù)據(jù)是不可靠的。然而干擾的來源又是多方面的主要集中在以下兩點； (1)內(nèi)部干擾源 主要指來自系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，這種干擾是由于內(nèi)部原件物理特性在一定條件受到作用時所

50、產(chǎn)生的,包括熱噪聲、散粒噪聲和接觸噪聲等。雖然這類噪聲很弱,但是有用信號也很弱時，噪聲會對微弱信號放大器產(chǎn)生很大的干擾。 (2)外部干擾源 外部干擾主要指來源于自然界以及工業(yè)現(xiàn)場各種電氣設備的干擾，例如自然界中雷電.無線電發(fā)射裝置發(fā)出的電磁波.生產(chǎn)現(xiàn)場中的電弧.高壓放電.電火花加工生產(chǎn)的電磁干擾.電源的工頻干擾等。 5.1.1電路的抗干擾設計 (1)光電隔離 光電隔離.顧名思義就是使用光電在輸入通道和輸出通道上采用光電隔離器進行信號傳輸.很好的將單片機系統(tǒng)與各種傳感器、開關、執(zhí)行機構從電氣上隔離開來,這樣一來大部分的干擾都會被隔離。 (2)降低時鐘頻率 時鐘信號不僅是受噪聲干擾最

51、敏感的部位,同時也是數(shù)字信一號處理器對外輻射干擾的噪聲源,并且時鐘頻率越高越容易成為噪聲源。因此,在滿足系統(tǒng)要求的情況下,盡量降低處理器的時鐘頻率。 5.1.2電源部分的抗干擾設計 (1)電源必須采用直流供電,還要配置高質量的穩(wěn)壓電路,這樣才可以使得控制電路的供電電壓波紋很小,大大的降低電源引入的干擾。 (2)在每個PCB電路板入口處的電源和地之間并聯(lián)去禍電容。并聯(lián)的電容應該是一個大容量的電解電容(10——100uF)和一個小容量電容(0.01——0.1uF)。大電容是為了去掉低頻干擾成分,小電容是為了去掉高頻干擾成分。低頻去藕電容采用單電解電容,高頻去藕電容可以采用獨石或陶瓷電容。

52、(3)使用電源隔離模塊將電路中不同功能的電路模塊進行電源隔離、不同的功能模塊在PCB電路板上使用也是不同的,防止相互間的電源噪聲串擾。 第6章 結論 本論文結合當今光電檢測領域的發(fā)展趨勢和自動化領域發(fā)展的熱點（現(xiàn)場總線技術,選用了其中最有影響的一種)CAN總線技術作為數(shù)據(jù)通訊的技術基礎,開發(fā)研究了基于CAN總線的汽車加速度信息采集處理系統(tǒng)，對于汽車加速度的信息只是為了是對CAN總線的研究更加的容易理解。本文的主要內(nèi)容包括: （1）利用CAN 總線設計了硬件系統(tǒng),提高了信號處理和控制的能力,較大程度地提升了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能,完全

53、滿足實際應用中對系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)設計包括了信號放大調理電路,A/D轉換電路,DSP外圍電路,系統(tǒng)電源電路,CAN總線通信電路。 （2）設計了采集系統(tǒng)的軟件,包括A/D轉換、SPI通信、CAN通信等的軟件設計,以及通過參考CAN總線通信協(xié)議,制定了一對本系統(tǒng)的具體的應用協(xié)議信息。 （3）完成了對系統(tǒng)的調試,將CAN總線的抗干擾性好、一可靠性高、實時性好的特點與DSP的高速特性相結合,使得檢測系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性、準確性得到了保障。完成了DSP與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制,實現(xiàn)了CAN總線網(wǎng)絡通信。日前設計的系統(tǒng)雖然在實驗室得到了比較滿意的調試結果,但是還需要不斷的改進,通過不斷的改進設計思

54、路和方法,提高采集系統(tǒng)的性能。所以以后的工作需要從以下方面著手； ①在CAN總線存在著各種各樣的擾動和干擾,如何解決現(xiàn)場總線遇到的干擾將成為以后工作的重點,需要在系統(tǒng)中加強隔離電路,確保系統(tǒng)在惡劣環(huán)境運行的可靠性和可行性。 ②盡可能的降低成本,提高系統(tǒng)的通用性。 ③ 在實驗室做的調試階段,因為CAN傳輸距離比較近,所以對CAN數(shù)據(jù)傳輸在長距離甚至達到傳輸距離極限時的傳輸性能缺乏驗證。 參考文獻 [1] 申榮衛(wèi). 汽車電子技術[M]. 北京:機械工業(yè)出版社. 2006. [2] 葛林.周文華.徐航. CAN 通信網(wǎng)絡在汽車中的應用研究. 汽車技術.

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58、品德都深深地影響了我，楊老師永遠是學生學習的楷模。在這四年的時間里，不論是學習上還是生活上，楊老師都給予我無微不至的關懷，讓我度過了一個充實而又難忘的大學生學習經(jīng)歷，在這里，特向楊老師 致以崇高的敬意與深深的謝意。 再次非常感謝我們學院的老師和領導們在我大學四年的學習中的很多幫助和教導，教我學會了許多書本上沒有的東西，我相信這些老師們的社會經(jīng)驗，可以幫我們在以后的社會生活中怎樣去和別人相處等等。也非常感謝2011級汽車服務的所有同學，因為你們使得我四年的大學生生活豐富多彩，讓我對這四年的生活難以忘懷。 最后，我還要向在背后默默支持我關心我的朋友和家人表示感謝，感謝他們在我四年的大學生學習生活過程中給予我的鼓勵與關懷，讓我時刻保持充足的信心與動力去完 成自己的學業(yè)。 因為有了大家的幫助與支持，我才得以順利完成畢業(yè)論文的撰寫，再次向所有關心 和幫助過我的老師、同學、朋友以及家人表示深深的謝意。 劉 逍 2015.05 第 28 頁 共 31 頁