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基于CAN总线的数据采集与控制系统设计
基于CAN总线的数据采集与控制系统设计
2011年4月l5日
第34卷第8期
现代电子技术
ModernElectronicsTechnique
Apr.2011
Vo1.34NO.8
基于CAN总线的数据采集与控制系统设计
郝寿朋,刘瑞玲
（1.中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266100;2.1临沂市高级技工学校,山东临沂276021）
摘要:
为了保证数据传输的实时性,可靠性,解决数据传输过程中易受干扰的问题,并保证数据采集和控制系统的性
能,采用CAN总线作为现场总线来实现数据传输.经过对系统软硬件在不同环境下的多次测试,验证了该系统的性能,同
时也体现了CAN总线在通信能力,可靠性和实时性等方面的明显优势.
关键词:
CAN总线;数据采集;控制系统;串行通信
中图分类号:
TN911-34文献标识码:
A文章编号:
1004—373X（2011）08—0036—03
DesignofDataAcquisitionandControlSystemBasedonCANBus
HAOShou—peng.IIURui—ling
（1.CollegeofInformationScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100.China;
2.1.inyiSeniorTechnicalSchool,Iinyi276021,China）
Abstract:
InordertOensurereal—timeandreliabledatatransmission,solvetheproblemthatthedataispronetObeinter—
feredintheprocessofdatatransmission,andensurethecapabilityofthedataacquisitionandcontrolsystem,CAN（controller
areanetwork）busistakenasthefieldbusinthesystemtorealizedatatransmission.CANisakindofserialcommunication
networkthatsupportsthedistributedcontrolandtherealtimecontrol,andhasthecharacteristicsofhighperformanceand
highreliability.Therepeatedtestsforthehardwareandsoftwareofthesystemdemonstratesthecapabilityofthesystem,and
embodiestheobviousadvantageofCANbusintheaspectsofthecommunicationcapability,reliability,realtime,andSOon.
Keywords:
CANbus;datacollection;controls3rstem;serialcommunication
0引言
随着计算机网络上的高速发展,使得信息的交流与
共享变得空前广泛和自如,而这项技术也渗入到自动化
领域的变革当中,现场总线（Fieldbus）由此应运而生,
开创了工业控制的新篇章.现场总线是一种应用于生
产现场,在现场设备之问,现场设备和控制装置之间实
行双向,串形,多结点的数字通信技术,在当今自动化领
域中具有广阔的发展前景.本文给出了一种基于CAN
总线的数据采集与控制系统设计方案,实现对开关量的
数据采集和对外部设备的控制功能.
控制器局域网（ControllerAreaNetwork,CAN）总
线是现场总线的一种,是一种有效支持分布式控制或实
时控制的串行网络通信,已经被广泛地应用于工业自动
化,船舶,医疗设备,工业设备等方面,并被公认为最有
前途的现场总线之一,其主要特点如下:
（1）CAN是有国际标准的现场总线.
（2）CAN为多主工作方式,网络上的任意一节点
都可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息,.不分
主从.
收稿日期:
2010-11-27
（3）CAN采用非破坏总线仲裁技术.当多个节点
同时向总线发送信息出现冲突时,优先级低的节点将主
动退出发送,而优先级高的节点不受影响继续发送.
（4）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭
输出功能,使总线上其他节点的操作不受影响.
（5）报文采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率
低,而且每帧都有CRC校验及其他校验措施,具有极好
的检错效果.
（6）CAN的直接最远通信距离可达10km,最高
通信速率可达1Mb/s.
1系统总体结构设计
系统主要由上位机（PC机）和数据采集和控制模
块组成.系统总体结构设计如图1所示.
图1系统总体结构
第8期郝寿朋等:
基于CAN总线的数据采集与控制系统设计37
上位机是整个系统的核心,实现系统的监控和管理
功能.CAN总线智能适配卡的作用是收集各个CAN
节点上的数据,然后转发到上位机,同时把上位机的命
令转发到各个节点.由于CAN总线特有的多主传输
方式,各个节点根据需要自主地向总线发送数据,而且
在上位机监听各个节点的同时,节点也实时监听总线并
接收自己需要的数据.数据采集和控制模块采用微处
理器和可编程的CAN控制芯片,主要用于完成现场数
据的采集,数据的传送以及各个现场设备运行的控制.
2数据采集和控制模块硬件设计
基于CAN总线的数据采集与控制系统将功能尽
可能地分散到各个控制模块中,各个模块以微处理器为
核心,完成数据采集和控制功能.为了使信息能在
CAN协议的标准下进行通信,各个模块都设有CAN
总线接口电路.该模块的微处理器（MCU）选用宏晶科
技的STC89C52RC单片机.STC89C52RC是新一代
超强抗干扰,高速,低功耗的8位单片机,指令代码完全
兼容传统的8051单片机,36个通用I/O口,3个16位
定时器/计数器,4路外部中断.根据实际需求分析,
STC89C52RC单片机完全满足本设计的需求.数据采
集和控制模块的结构如图2所示.
}
cAN总线接'单几++
量数据j乏集几L—STC89C52RC
控制if,,l一
图2数据采集和控制模块结构图
2.1CAN总线接口硬件设计
CAN总线接口硬件结构如图3所示.
图3CAN总线接口硬件结构图
在本系统中CAN总线控制器选用SJAlOOO.
SJA100O是Philips公司生产的独立的CAN总线控制
器,可以应用于一般的工业环境中和移动目标的CAN
总线网络控制.SJAlOO0是Philips半导体
PCA82C2（）（1CAN总线控制器BasicCAN的替代产品,
而且增加了一种新的工作模式Pe1iCAN,这种模式能支
持具有很多新特性的CAN2.0B协议.基本特性如
下:
兼容BasicCAN模式;扩展地接收缓冲器（64B,先
进先出FIFO）;同时支持11位和29位识别码;位速率
可达lMb/s;24MHz时钟频率;对不同微处理器的接
口兼容;可编程的CAN输出驱动器配置.PeliCAN模
式扩展功能包括:
可读/可访问的错误计数器;可编程的
错误报警器;对每一个CAN总线错误进行中断;单次
发送无重发;验收滤波器控制4B代码,4B屏蔽等.
CAN总线收发器选用Philips公司生产的专用
CAN总线收发器PCA82C25O,提供CAN总线协议控
制器和物理总线接口,而且对CAN总线控制器提供差
动接收能力.基本特性如下:
高速率（最高达1Mb/s）;
具有抗瞬间干扰和保护总线的能力;利用斜率控制,可
降低射频干扰;使用差分接收器,可抗宽范围的共模干
扰,以及抗电磁干扰;热保护;低电流待机模式;未上电
的节点对总线无影响;可以支持多达11O个节点.
为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,并不是在
SJA1O0O与PCA82C250之间直接相连,而是加入了高
速光耦隔离器.这样能很好地实现总线上各个CAN
总线节点之间的电气隔离.在该系统中高速光耦采用
6N137.6N137兼容TTL和COMS电平,可通过信号
的宽度为10MHz,完全可满足CAN总线信号1Mb/s
通信速率的要求.
2.2开关量数据采集单元硬件设计
该单元用于采集现场的开关量数据的采集.硬件
电路图如图4所示.
图4数据采集单元
该单元将采集到的开关量数据传送到微处理器,并
传送到CAN总线上,然后通过CAN总线智能适配卡
转发给上位机进行处理.外界环境以及电路,器件本身
对系统引入了干扰和噪声,为了提高单片机系统的性
能,保证其稳定性,采用光耦器件进行隔离,抑制干扰.
光耦器件将电信号转变为光信号,光信号传送到接受侧
再转换为电信号.由于光信号的传送不需要共地,可以
将光耦器件两侧的地加以隔离.因此在加入光耦器件
38现代电子技术2011年第34卷
后,在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声
干扰,大大提高通道上的信噪比.需要注意的是光耦器
件两端的电源不能共用,否则起不到隔离的作用.
2.3控制单元硬件设计
该单元用于控制现场外部设备的运行.该单元硬
件电路如图5所示.
r
图5控制单元
该单元是上位机按照预先设定好的程序自动控制
输出,上位机通过CAN总线智能适配卡传送开关量到
[CAN总线,然后数据采集和控制模块根据需要接受
CAN总线上的开关量,以控制现场设备.在该单元中,
开关量通过单片机的I/o端口输出,但l/0端口的驱
动能力有限,一般不足以驱动继电器,此时需要添加驱
动电路.同时,为了避免单片机受到干扰,在驱动电路
设计时,必须采取隔离措施.
3软件设计
该系统软件设计主要分为两个部分:
数据采集与控
制模块程序设计和CAN总线通信程序设计.
3.1数据采集与控制模块程序设计
数据采集与控制模块程序设计流程图如图6所示.
开始
...●●__●_——
初始化
图6数据采集与控制模块程序设计流程图
3.2CAN总线通信程序设计
CAN总线通信程序设计分为三个部分:
CAN总线
初始化,数据发送和数据接收.
（1）CAN总线初始化.CAN总线初始化主要是
设置一些通信参数,保证通信的正常进行.初始化主要
包括工作方式的设置,验收滤波方式的设置,验收屏蔽
寄存器和验收代码寄存器的设置,波特率参数设置,中
断允许寄存器的设置等.特别需要注意的是,初始化只
有在复位模式下才可以进行,因为SJAlOOO配置信息
的寄存器只有在复位模式下才可以进行写操作.
（2）数据发送.数据发送前,微处理器周期查询状
态寄存器,查看发送缓冲器是否被锁定.若没有锁定,
则把从现场取得的开关量数据发向CAN总线控制器
的发送缓冲区,然后启动CAN总线控制器发送命令,
此时CAN总线控制器自动向总线发送数据.数据发
送的流程图如图7所示.
（3）数据接收.数据接收采用中断方式.系统中
的CAN控制器检测到总线上有数据时会自动接收总
线上的数据,存入其接收缓冲区,并向微控制器发送接
收中断,启动中断接收服务程序,通过执行中断接收服
务程序,从CAN控制器的接收缓冲区读取数据,并对
其进行进一步处理工作.数据接收流程图如图8所示.
l渎取状态寄存器l
卜——一
<>
YJ
写八报文至发送缓冲区
启动发送请求.发送数据
图7数据发送流程图图8数据接收流程图
4结语
通过对系统的软硬件的反复调试表明,该数据采集
和控制系统的设计方案是成功的.该系统能高速有效
地采集,传递和处理现场数据,并且能在恶劣环境下保
证通信速率和极低的出错率,运行效果很好,体现了
CAN总线高性能和高可靠性的优点.
参考文献
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（下转第42页）
N一
42现代电子技术2011年第34卷
结果数据,此时就需对这些随时问变化的结果数据进行
动态可视化,以观察结果随时间的变化情况,从而依据
可视化结果调整计算参数,得到不同条件下的模拟数
据.可将这些相关联的数据写为若干Silo文件,并对
其分组,则在Visit中,可对该组Silo文件每隔一定的
时间显示一个文件,从而实现结果的动态显示,得到完
整的随时问变化的可视化结果.图9为不同时刻压力
变量的彩色云图,通过类似这样多幅的彩色云图顺次播
放,就可以看出压力的大小随时问的动态变化情况.
图8速度场及速度等值线叠加可视化
（a）120帧（b）300帧
■■■■
（c）400帧（d）500帧
图9Silo文件的动画显示
5结语
本文介绍了Silo文件在科学计算结果数据的管理
及可视化中的应用,通过编程将数值模拟程序的结果数
据进行提取后写为Silo文件格式,并在Visit中进行读
取和可视化.结果表明:
Silo文件在Visit中可得到较
好的可视化效果.不同格式的数据写为Silo文件后,
结构清晰,易读,易写,并可在Visit中进行三维模型,
网格,等值线,彩色云图,矢量等多方面的可视化和数据
分析,还可进行算子运算和动画显示,不仅提高了科学
计算可视化效率,而且为数值模拟的参数优化提供了直
观的依据;同时,Silo的并行处理能力对于大规模科学
计算中的数据管理和可视化也有着良好的应用前景.
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作者简介:
王延红女,1972年出生,河南淮阳人,硕士,工程师.研究方向为并行计算与科学计算可视化.
（上接第38页）
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PCA82C250CANcontrollerinter—
Netherlands:
PhilipsSemiconduc一
作者简介:
郝寿朋男,1985年出生,山东烟台人,硕士.研究方向为嵌入式系统,智能控制技术.
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