摘 要： 介紹了基于CAN總線通信協議的多路高精度模擬量采集電路的軟硬件設計與實現。采用了A/D轉換芯片AD1674，通過軟件分時的方法采集24路12位模擬量信號，特別適用于航天器地面測試；同時模擬量采集電路使用了CAN總線通信方式，實現了采集卡的靈活控制和數據交換。軟件采用了C語言編寫，提高了開發的效率。
關鍵詞： 單片機；模擬量采集；CAN總線；AD1674
0 引言
數據采集技術是電子學科的重要分支，是傳感器、信號獲取、存儲與處理等相關技術結合的產物。隨著我國工業水平的提高，現場的數據采集顯得越來越重要，許多被測參數，如溫度、流量、壓力、液位、速度等都是連續變化的模擬量，對其測量精度、采集速度、數據穩定性和遠程通信質量的要求也越來越高。一個良好的數據采集卡能夠在復雜環境下為數據采集帶來很多便利。同樣，在航天領域，模擬整星環境對航天器有效載荷輸出的模擬量進行實時采集，是航天器地面檢測中的一項重要任務。
本采集卡采用12位的A/D轉換芯片AD1674，可以滿足一些對采集精度要求較高的場合。在通信方面，本采集卡使用CAN總線進行采集數據的傳輸，CAN控制器選用SJA1000[1]。CAN總線具有良好的抗干擾能力，能夠滿足工業現場的需求，而且應用成本較低，該總線應用廣泛，簡單方便，能很好地實現系統的集散控制。本文分別從硬件和軟件兩方面對系統設計進行詳細的介紹。硬件方面對主要芯片的應用電路和抗干擾措施作簡單介紹；軟件方面則重點介紹模擬量數據采集模塊和模擬量數據上傳模塊。
1 系統硬件設計和抗干擾措施
本模擬量采集卡為24路12位模擬量采集系統，使用基于SJA1000的CAN總線通信方式，可以通過撥碼開關來選擇本卡地址，采集通道的選擇是通過軟件控制模擬開關完成的[2]。
本文設計的模擬量遙測電路有4部分組成：CAN總線接口協議電路、單片機AT89C51電路、模擬量采集電路（芯片為AD1674）和模擬量開關電路。如圖1所示。
5位撥碼開關設定電路板的板號，軟件設定相應的通信協議。單片機通過CAN總線將模擬量采集數據傳送給上位機做處理。模擬量通過模擬開關AD7501選擇24路模擬量中的一路，兩片AD7501完成8路模擬量的差分輸入，共需6片AD7501。模擬量經過放大器AD620緩沖放大后再輸入到模擬量采集芯片AD1674[3]。
1.1 儀表放大器AD620的電路設計
AD620是一種只用一個外部電阻就能設置放大倍數為0~1 000的低功耗、高精度儀表放大器。它體積小，采用8管腳的SOIC或DIP封裝；供電電源范圍為±2.3 V~±18 V；最大供電電流僅為1.3 mA。本電路設計采用±12 V電源供電，設計為2倍放大倍數。AD620外圍電路如圖2所示。
AD620儀表放大器電路的放大倍數與電阻值的關系如下：
選取RG=49.4 Ω的精密電阻，放大器放大倍數G=2。輸入0~5 V的模擬量，對應輸出為0~10 V。
1.2 模擬量/數字量轉換芯片AD1674的電路設計
AD1674是一種12位帶并行微機接口的逐次逼近型模/數轉換芯片。該芯片內部自帶采樣保持器（SHA）、10 V基準電壓源、時鐘源以及可與微處理器總線直接接口的暫存/三態輸出緩沖器。其基本特點和參數如下：
轉換時間為10 μs；非線性誤差為±1/2 LSB；滿量程校準誤差為0.125%；內有+10 V基準電源；單極或雙極電壓輸入范圍為0 V~ 10 V，0 V~20 V，±5 V，±10 V；利用不同的控制信號可實現8位或12位轉換，轉換后的數據有兩種讀出方式：12位一次輸出和8位、4位分兩次輸出。設有三態輸出緩沖器，可直接與8位或16位的微處理器接口；采用雙電源供電：模擬部分為±12 V/±15 V，數字部分為+5 V。
本電路選擇AD1674的工作方式為：單極性0 V~10 V輸入；數據讀出方式為8位、4位兩次讀出，如圖3連接，當A0=0時，高8位數據輸出；當A0=1時，低4位輸出[4]。
1.3 CAN總線的電路設計
模擬量采集的數據是靠CAN總線傳輸給上位機的，CAN總線最初由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。能適應工業現場惡劣的環境。
CAN總線協議芯片選用PHILIPS公司的SJA1000，該協議芯片為符合CAN2.0B協議的總線控制器，它是應用于汽車和一般工業環境的獨立CAN總線控制器(具有完成CAN通信協議所要求的全部特性)。經過簡單總線連接的SJA1000可完成CAN總線的物理層和數據鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設計可兼容基本CAN模式(BasicCAN)和新增加的增強CAN模式(PeliCAN)CAN2.0B協議。本電路設計中選用CAN總線的BasicCAN模式，波特率設置為125 kb/s，CAN總線收發芯片選用的是帶光耦隔離的CTM1050T，最大程度降低傳輸線上的干擾，提高數據傳輸的可靠性[5]。SJA1000電路連接圖如圖4所示。
1.4 硬件濾波設計
在24路模擬量通道的每一個通道的正、負線輸入端之間都加上了RC濾波網絡。選用R=1 kΩ，C=0.1 μF，有效地抑制尖峰脈沖及部分噪聲的干擾，從而使通道的信噪比大大提高。對數字地和模擬地在適當的位置短接，可以有效防止地線干擾，保證采集電路正常工作。
2 軟件設計
在模擬量遙測電路的軟件設計中，最重要的部分為模擬量數據采集模塊和模擬量數據上傳模塊。其他程序均為處理器最小系統初始化的常用指令。
模擬量遙測電路的軟件流程圖如圖5所示。
程序開始先初始化單片機最小系統，初始化CAN總線控制器SJA1000，然后開外中斷INT0，之后程序進入循環采集24路通道模擬量的過程中，等待外中斷的來臨，通過CAN總線發送模擬量采集數據。
2.1 模擬量數據采集模塊
在A/D采集過程中，運用了軟件濾波方式以提高模擬量信號的采集精度。具體方法如下：每次選通一個通道時，先軟件延時2 ms，等信號穩定后，開通AD1674以查詢的方式開始讀取采集數據，連續采集10次，去掉最大值和最小值后，取平均值，然后再關掉此通道，開下一個通道，依次類推，24路通道循環采集。這樣可最大限度地消除電路板本身由電路干擾帶來的影響[6-7]。
2.2 模擬量數據上傳模塊
利用CAN總線通信協議進行數據的傳輸操作，電路上電后，對SJA1000進行初始化，數據傳輸波特率為125 kb/s，用中斷方式，每接收到上位機一幀數據傳送請求信息，就引發一次微處理器中斷，在中斷服務程序中讀取該組幀信息并傳送到上位機界面[8]。
3 驗證結果
此模擬量遙測電路板已經做過全面的測試，測試結果表明：采集模擬量數據的精度可以達到±0.02 V，符合航天器有效載荷對測試設備的要求。目前，此電路板已經批量地應用在地面測試設備中，大大地提高了測試效率和測試精度。
4 結束語
本文介紹了基于AD1674轉換芯片和CAN總線傳輸的模擬電路的設計，對其硬件和軟件的設計作了較為詳細的闡述，其測試驗證結果也符合預期。通過自主研發，整體提升了地面測試平臺的性能和測試精度，提高了對航天器有效載荷進行地面測試的有效性。
參考文獻
[1] 王毅峰, 李令奇. SJA1000在數據采集與控制系統中的應用[J]. 微計算機信息, 2001,17(4):16-18.
[2] 劉暾東, 柳小鵬, 余齊齊. 高精度模擬量采集卡的設計與實現[J]. 計算機測量與控制, 2006,14(11):1575-1577.
[3] 王彪. A/D轉換技術及其在電力生產中的應用[J]. 合肥聯合大學學報, 2002,12(3):107-112.
[4] 李相國. 遙測離散量與模擬量數據綜合監控系統[J]. 測控技術, 2011,30(增刊):142-144.
[5] 郝迎吉, 楊華平, 文微. 基于C8051F350的帶有數據變送器功能的高精度數據采集系統[J]. 儀表技術與傳感器, 2007(2):58-62.
[6] 聶浩, 許敬旺, 康曉軍, 等. IEEE1394總線接口設計[J]. 航天返回與遙感, 2011,32(4):59-67.
[7] 童詩白, 華成英. 模擬電子技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社, 2001.
[8] 鄔寬明. CAN總線原理和應用系統設計[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2001.