基于CAN總線和DSP的雙層數據采集系統的設計

　1 引言

　　CAN（Controller Area Network）即控制器區域網，CAN總線是由德國BOSCH公司為實現汽車測量和執行部件之間的數據通訊而設計的、支持分布式控制及實時控制的串行通訊網絡。CAN BUS現場總線已由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動機部件、傳感器、抗滑系統等應用中，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的雙層數據采集系統。文中將重點介紹雙層數據采集系統的結構組成以及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動機部件、傳感器、抗滑系統等應用中，但隨著CAN的應用普及，其應用范圍已不局限于汽車行業，正在逐步為航天領域所認可。1995年SSTL（Surrey大學衛星技術公司）將CAN作為星載遙測/遙控信道，隨之SSTL開發了基于CAN的分布式解決方案。至今SSTL已經在UoSAT-12，SNAP-1，AISAT-1，UKDMC，NigeriaSAT-1，BilSAT-1 等6顆LEO衛星中應用了CAN總線網絡，用于實現星載計算機與其他任務節點之間的通信;ESA在SMART-1上也將CAN作為系統總線和有效載荷總線，實現數據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的高速串行總線用于星載設備之間的數據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變化影響等優勢，具有良好的航天應用前景。隨著航天電子技術的發展，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總線技術已經開始在航天電子領域得到越來越廣泛的運用。

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

　　3 雙層數據采集系統的結構及功能

　　雙層數據采集系統的整體結構如圖1所示。

　　雙層數據采集系統由采集單元、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。本數據采集系統可同時實現對多區域、多單元的數據采集和信息管理控制，采用分級、區域控制的優化控制思想，采用DSP中間控制器作為各采集區域的核心控制器，實現上下層間的數據交換。

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

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

　　4 CAN總線網絡接口的設計

　　雙層CAN總線網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控制計算機，可通過CAN通信卡直接連接到CAN總線網絡上，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

　　數據采集系統的設計要兼顧速度特性和穩定性,TMS320LF2407A是TI公司的一款內置CAN模塊的DSP芯片，工作電壓3.3V。它具有內在的操作靈活性,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，內置6個郵箱完成數據收發，可進行自測試，CAN模塊內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總線網絡接口設計

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

　　SN65HVD230D是TI公司生產的專門針對240X系列DSP內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數據線收發器是為了在控制器之間實現可靠而有效的雙向數據傳輸而設計的，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，同時還兼容現有信令體系。該器件采用工業標準的PCA82C250封裝，適合雙終端傳輸線和半雙工操作。該器件輸出轉換時間，或稱轉換速率控制，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控制器和收發器即可實現此接口的設計。常用的設計方式是選用PHILIPS公司生產的SJA1000作為CAN控制器，同時選擇PHILIPS公司的PCA82C250芯片作為CAN收發器，因此本接口設計的重點就是要實現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據線分離的設計方法，不再使用地址數據分時復用線，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. 地址數據復用線的設計:將TMS320LF2407A的數據線D0～D7作為CAN的地址/數據復用線，用TMS320LF2407A的數據線去選擇CAN的內部端口和傳送數據。

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

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

　　d. 片選信號的產生: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生CAN的片選 。

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

　　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的雙層數據采集系統。本系統充分利用DSP具有內置CAN控制器的優勢，設計了具有雙CAN總線接口的DSP中間控制器，采用分級、分層、區域組合的思想實現雙層、多區域數據信息的采集。文中給出了本數據采集系統的結構，并設計了DSP中間控制器雙CAN總線網絡接口的硬件電路，將對CAN總線在航天領域的廣泛應用提供積極的參考。