基于CAN總線和DSP的雙層數(shù)據采集系統(tǒng)

1 引言
　　CAN（Controller Area Network）即控制器區(qū)域網，CAN總線是由德國BOSCH公司為實現(xiàn)汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)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(xiàn)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(fā)動機部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)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(yōu)點也逐步為航天領域所認可［1］。
　　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(shù)據采集系統(tǒng)。文中將重點介紹雙層數(shù)據采集系統(tǒng)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(fā)動機部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)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(yè)，正在逐步為航天領域所認可。1995年SSTL（Surrey大學衛(wèi)星技術公司）將CAN作為星載遙測/遙控信道，隨之SSTL開發(fā)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(wèi)星中應用了CAN總線網絡，用于實現(xiàn)星載計算機與其他任務節(jié)點之間的通信；ESA在SMART-1上也將CAN作為系統(tǒng)總線和有效載荷總線，實現(xiàn)數(shù)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?shù)母咚俅锌偩€用于星載設備之間的數(shù)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(tài)變化影響等優(yōu)勢，具有良好的航天應用前景。隨著航天電子技術的發(fā)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［3］。
　　在國內，CAN總線技術已在小衛(wèi)星中得到了實際的應用。隨著航天信息一體化技術的發(fā)展，CAN總線將廣泛應用于航天器的測量、控制等系統(tǒng)。CAN接口的采用將大大簡化了測量系統(tǒng)的電纜網，提高航天器的飛行可靠性。
　　3 雙層數(shù)據采集系統(tǒng)的結構及功能
　　雙層數(shù)據采集系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。
　　
　　雙層數(shù)據采集系統(tǒng)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(shù)據采集系統(tǒng)可同時實現(xiàn)對多區(qū)域、多單元的數(shù)據采集和信息管理控制，采用分級、區(qū)域控制的優(yōu)化控制思想，采用DSP中間控制器作為各采集區(qū)域的核心控制器，實現(xiàn)上下層間的數(shù)據交換。
　　采集單元是數(shù)據采集系統(tǒng)構成的基礎與關鍵，它直接與參數(shù)采集執(zhí)行機構相連接，實現(xiàn)對現(xiàn)場參數(shù)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(tǒng)的重要組成部分，參與系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，也可以它作為獨立單元來完成數(shù)據采集功能，即在系統(tǒng)出現(xiàn)通信等故障的情況下，采集單元仍可以獨立實現(xiàn)數(shù)據采集功能，并進行數(shù)據存儲，提高了系統(tǒng)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(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據的采集和傳輸。
　　DSP中間控制器是整個采集系統(tǒng)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(shù)據采集的區(qū)域控制器，實現(xiàn)對本區(qū)域數(shù)據的收集、處理，并通過CAN總線與頂層控制中心進行數(shù)據通訊，實現(xiàn)頂層控制中心對各個數(shù)據采集區(qū)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(yè)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(shù)據采集系統(tǒng)的設計要兼顧速度特性和穩(wěn)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(xié)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(shù)據收發(fā)，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。