摘 要: 應用CAN總線的分布式數據采集系統對大型飛行器殼體結構的應力應變在線實時監測是進行結構監測的有效手段,在介紹CAN總線和分布式數據采集的基礎上,設計以TMS320VC5416 DSP為節點核心的測量系統,利用CAN總線對數據采集與傳輸進行控制。并給出基于TMS320VC5416 DSP數據采集系統的相應節點硬件電路設計及PC-CAN卡程序設計。
關鍵詞: CAN總線;TMS320VC5416;分布式測量系統
目前,大型飛行器殼體運輸貯存設計一般不考慮殼體柔性,但是大型火箭殼體、某些有超薄機翼的結構、特別是有大型薄壁結構的大部件則必須考慮結構體柔性,這就要求解決一系列問題,例如承載型架的效能(載荷分配、行程、效率、過載、滯后系數等)受到的影響、殼體儲存能量的耗散效率等問題等。因而,研究大型殼體結構在運輸貯存過程可能出現的問題并尋求解決這些問題的可行方案就具有非常重要的工程應用價值,而獲得結構監測數據則是相關研究的前提和驗證措施有效性的保證手段,采用基于CAN總線的分布式在線測量系統定期檢測是獲取大型殼體運輸貯存過程中變形及應變數據的有效手段[1-2]。
現代結構監測技術對于結構損傷檢測、損傷定位、載荷檢測、結構損傷自動修復、結構剩余壽命預測等成為主要的支撐技術[3-4],本文采用基于CAN總線的傳輸采集系統在保障大型飛行器殼體結構監測方面起著關鍵作用。
1 基于DSP的數據采集節點設計
本文設計的數據采集系統是一種分布式系統,利用現代工業控制和網絡技術,通過對多個分散在大型殼體結構上的傳感器信號進行實時測量、傳輸控制及遠程顯示等,可以及時掌握大型殼體結構各個監測點的數據狀態,從而保證結構的安全可靠。
系統由CAN控制器芯片、DSP和PC機組成,即由CAN總線通信模塊、電壓采集和處理電路、中央控制單元三部分組成,并通過USB總線與上位機之間進行通信。數據采集系統通過節點結構的區別可分為兩種模式:一種模式為傳統模式,即系統的各個節點都采用CPU加控制器方式來實現,節點間的結構都一樣,都可以對整個網絡進行檢測和控制,無主節點和從節點的區分;另一種模式則采用主節點和從節點的結構,主節點采用CPU加控制器結構來檢測和控制整個節點,從節點則利用CAN總線I/O擴展器來實現采集和控制現場信號。顯然,分布式數據采集系統應著重選擇抗干擾能力強、性能穩定的系統方式和結構元器件。研究表明,TI公司DSP器件TMS320VC5416的數據處理能力明顯優于51系列器件,因此,系統的PC-CAN接口卡及各從節點采用MCP2510CAN控制器和DSP器件TMS320VC5416是可行的。
1.1 A/D采樣電路與DSP的接口設計
鑒于TI公司的串行芯片應用廣泛,本文設計采用其串行A/D采樣芯片。考慮到TMS320VC5416芯片的三個McBSP接口可以方便地與SPI器件相連[5],采用了TI公司生產的具有SPI串行接口的TLC2574。TLC2574支持連續的數據流傳輸,通過SPI串口與TMS320VC5416實現無縫對接。
TLC2574有四種轉換模式(模式00,01,10,11),根據轉換器如何采樣和采用哪一個主機接口選擇相應的模式。TLC2574以DSP的同步時間脈沖為基準發送和接收數據,在單次模式下首先通過命令寄存器選擇某通道,才能對該通道進行A/D轉換。因為命令存儲器為4位存儲器,所以完成一次A/D轉換需要30個SCLK(同步時鐘周期),其中包括存儲器需要SCLK 4個,采樣需要SCLK 12個,模擬量轉換需要SCLK 14個。需要指出的是,TMS320VC5416的McBSP接口設置十分重要,保證該接口在SPI模式下的時序與TLC2574相對應,才能使TMS320VC5416正常工作。
通過上面對TMS320VC5416同步串行口及TLC2574外接信號的特點分析可以看出,利用兩者可以進行無縫對接的優點,通過TMS320VC5416的同步時鐘信號作用來實現A/D轉換數據的傳輸。圖1是TMS320VC5416同步串行口與TLC2574連接圖。
考慮到充分利用TMS320VC5416的McBSP口的強大功能,設計采用TI公司的TLC2574芯片支持串行數據接收,一方面可以完美連接TMS320VC5416,支持連續的數據流傳輸,另一方面因為該芯片有5 V模擬供電和3.3 V數字供電方式可供選擇,符合TMS320VC5416的3.3 V信號環境,可以與TMS320VC5416無縫對接,而不會出現其他芯片電平不匹配的問題,從而降低電路復雜程度和制造成本。
1.2 MCP2510 CAN控制器與DSP的連接
本設計的CAN控制器采用Microchip公司生產的MCP2510[6]。它支持被動和主動模式的CAN1.2、CAN2.0 A/B協議,MCP2510可以接收和傳輸CAN標準幀和CAN擴展幀,并實現消息管理和接收過濾器功能。它有3個發送緩沖器和2個接收緩沖器,這樣可以降低處理器對消息管理的需要。通過TMS320VC5416的McBSP接口與MCP2510的SPI接口通信,其最高數據率可達1 Mb/s,已被廣泛應用在交通及環境控制、醫療儀器、工業自動化等領域。
CAN控制器的總體特點:兼容CAN V2.0A/B協議,支持0~8個字節可變長度消息;能處理CAN標準幀和CAN擴展幀,速度可編程并且支持遠程幀;帶有屏蔽接收過濾器和3個發送緩沖器以及2個接收緩沖器;并有6個接收過濾器;其中發送緩沖器有優先發送和退出的功能,接收緩沖器具有優先消息存儲功能。
從節點結構如圖2所示,其硬件有高速SPI接口,可以選擇是否使能的中斷輸出腳,同時帶有可編程預分頻器的時鐘輸出;接收緩沖滿輸出腳有兩種配置方式,分別為配置為通用的數據輸出腳或者配置為接收緩沖器滿中斷輸出;并可選擇請求發送的輸入腳來作為通用數據輸出腳,或選擇作為請求發送緩沖器立即啟用消息發送的控制腳;有休眠模式,可降低能耗,低能耗CMOS技術操作電壓在3.0 V~5.5 V;休眠模式下典型電流從正常運行時的5 mA變為10 μA。
1.3 CAN總線通信電路
圖3為CAN的節點通信部分電路。CAN控制器用SPI接口與TMS320VC5416相連接。TMS320VC5416具有主同步串行口,經過配置作為SPI接口的輸入口,可以實現最高速度1 Mb/s的SPI串口通信。在使MCP2510的片選腳置低電平的前提下,在時鐘SCK上升沿,通過SI引腳把數據或命令送到MCP2510,同時MCP2510能夠在SCK下降沿通過SO引腳送出數據。
TMS320VC5416的中斷輸入腳連接MCP2510中斷輸出腳INT。由于MCP2510本身并沒有總線驅動能力,所以另外需要82C250這種CAN驅動器把輸出的CAN消息發送到總線上去。
CAN驅動器82C250主要特性是:對ISO/DIS 11891標準完全兼容;抗瞬間干擾能力強,通過斜率控制可有效降低射頻干擾,可有效保護總線;能有效降低電池與地之間短路的可能;抗熱能力強;低電流待機方式;最高速率可達1 Mb/s;支持最大110個節點,任一節點的掉電不會對總線產生影響。
選用Philips生產的PCA82C250作為CAN接口芯片。斜率控制模式通過在82C250芯片的RS腳和地之間接上30 kΩ電阻實現。
2 PC-CAN接口卡設計及網絡拓撲
2.1 PC-CAN接口卡
通過設計PC-CAN接口卡可以完成從節點與上位機之間的數據交換,解決了PC機無法和CAN總線直接通信的問題。接口卡可以雙向轉換CAN總線不同波特率和上位機的USB串口波特率,轉換上位機的USB串口與CAN總線間的電平;雙向轉換CAN總線上的數據包和上位機的USB串口比特流,數據包每幀為8 B;可以CRC檢驗傳送的數據,并對錯誤的數據重新發送。
接口卡的設計要求是硬件構成簡單、工作可靠、性能穩定,同時USB串口和CAN總線的通信功能在設計中亦必不可少,在較多從節點下運算速度應滿足需要。
此外,系統A/D采樣率高,為此接口需要有較高的數據傳輸帶寬,才能實時傳輸采集信號和DSP處理結果。選用Cypress公司的CY7C68013-56PVC作為接口芯片,該芯片的USB2.0高速接口具有即插即用、便攜移動的優點。其3.3 V的電源與DSP要求吻合,能夠直連TMS320VC5416接口。其片上帶有的2K×16 bit的FIFO,通過SLAVEFIFO,模式下的AUTO-IN/OUT方式可以方便地傳輸數據和控制命令。
PC-CAN接口卡主節點系統原理圖如圖4所示。
2.2 系統連接方案
分布式測量系統連接方案如圖5所示。主機通過USB接口對主節點進行通信和控制,主節點通過CAN網絡與從節點1、2、3、4、…相連。
3 PC-CAN接口卡軟件設計
為了監測和處理網絡數據,需要利用上位機軟件來監測和控制整個CAN系統。實現上位機與從節點之間傳輸數據和控制。
在上位機與PC-CAN接口卡之間傳遞消息時,發送方的PC-CAN接口卡軟件需要在每一幀數據的后面附加校驗和字節。實現方法是PC-CAN接口卡軟件對其每一幀內的載荷數據逐字節相加取和,然后再將總和值的低8位作為校驗和的標志值字節隨載荷數據一起發送。接收方在接收到數據幀后需要對載荷數據每一個字節相加取和,再將取和的結果與接收到的校驗和值進行對比。當出現干擾產生誤碼時,那么兩個校驗和值不相等,即判斷舍棄該幀。若校驗和值相等則說明接收載荷數據正確。采取校驗和的方法可以大為減少誤碼出現的機會(顯然其并不能夠保證數據的傳送成功和絕對正確)。PC-CAN接口卡的軟件整體流程如圖6所示。
在介紹CAN總線和分布式數據采集后,闡述了本文方案所開發的基于CAN總線的分布式測量系統,系統各節點以TMS320VC5416為核心,各節點間以CAN總線連接通信,能夠搭配不同的傳感器進行各種參數的測量。最后系統實現的指標為:最多容納100個節點;CAN總線速率32 kb/s;每個從節點支持4路模擬采集通道;每個從節點支持8路開關量輸出。
參考文獻
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[3] HOUSNER G W, BERGMAN L A, CAUGHEY T K. Structural control: past, present, and future[J]. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 2003,123(9).
[4] FUJUNO Y, ABE M. Structural Health Monitoring in civil infrastructures Research Activities at the Bridge and Structure[J]. Laboratory of the University of Tokyo. Structural Healthy Monitoring and Intelligent Infrastructure,2003,11,Tokyo, Japan.
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[6] Microchip Technology Inc.MCP2510 Data Sheet[Z].2002.