引 言
在工業生產的很多領域都需要對生產過程進行監控管理，因此以A／D轉換器為核心的數據采集系統必不可少。為了提高監控系統的準確性與可靠性，數據采集卡可選用∑一△型高分辨率的A／D轉換器。而控制器局域網(CAN)能有效支持具有高安全級的分布式實時控制，憑借其在噪聲環境中的可靠性及其故障狀態檢測，以及從故障狀態恢復的能力被廣泛應用于工業控制等領域。本文設計了一種關于CAN總線的雙通道高精度采集系統，提高了工業控制中的信號采集處理以及傳輸抗干擾能力。
1 系統原理
系統選用Philips公司的LPC2292(支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器)作為主芯片，功耗極低，具有高速Flash存儲器、多個32位定時器、2路CAN以及多達9個外部中斷，特別適用于工業控制等。Maxim公司的MAX811作為系統的復位開關，系統原理圖如圖1所示。雙通道O～5 V的模擬信號，經過信號調理電路轉換為適合ADC采樣的電壓信號，被2個24位精度的低功耗A／D轉換器ADSl251采樣；所采樣的數據經過LPC2292的處理后存入擴展的SRAM靜態存儲器(Cypress公司的CY7C1061AV33)當中，再通過ARM內嵌的2個CAN控制器控制2路CTM8231(通用CAN隔離收發器)進行數據傳輸。其中，CP2102是ARM中UART與USB端口的橋接芯片，它將USB口模擬為串口，可在PC機上方便地對LPC2292進行上電之前的Flash擦寫等操作。
2 信號調理電路
其中一路通道的信號調理電路如圖2所示。ADSl251是24位低功耗、寬動態范圍、高信噪比的deIta—sigma型A／D轉換器。ADSl251為差分模擬輸入，當參考輸入電壓等于+4．096 V時，雙端輸入電壓為一4．096～+4．096 V。本設計利用LM4040AIM3—4．1穩壓管為ADC提供+4．096 V參考電壓，系統時鐘信號和串行時鐘信號都由ARM提供。為了更好地發揮ADC的性能，最重要的是信號的滿量程輸入，因此在ADC雙端輸入的前端，采用軌到軌運算放大器0PA4350設計了一個變換電平電路。首先外部信號進入一個射隨放大器，然后通過2個運算放大器進行電平移位，讓0～5 V的外部信號轉變為一4．096～+4．096 V的信號進入ADSl251的差分輸入端。
3 CAN通信傳輸電路
CAN相關電路如圖3所示。LPC2292中雖然內嵌CAN控制器，但是必須與CAN收發器連接才能具備收發功能，在以往的設計中ARM和CAN收發器之間通常需要加入DC-DC電源隔離模塊和高速光電耦合器組成的隔離電路，以確保在CAN總線遭受嚴重的干擾時控制器能夠正常工作。然而考慮到復雜度、系統集成等因素，本設計中利用CTM8231接口芯片來實現帶隔離的CAN收發電路。它將LPC2292中內建的CAN控制器邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，實現起來非常簡單而且有高抗電磁干擾性；每一路獨立的CAN總線接口均配上120Ω的可跨接的終端匹配電阻，同時在印制板上留有可另接一其他阻值電阻的接口，以便在調試和使用過程中進行終端電阻的調整，由撥碼開關選擇。CAN總線上有數據傳輸時，用發光二極管閃爍指示。
4 軟件設計
4．1 A／D轉換程序設計
整個A／D轉換的時間需要384個CLK時鐘周期，ADsl251的工作時序如圖4所示。ADS1251的輸出信號DOUT／DRDY是在兩種工作模式下轉換的：第一種模式是DRDY(需要36個CLK時鐘周期)，它表明新的數據已經加載到數據輸出寄存器中，可以進行讀操作；第二種模式是DOUT(需要384個CLK時鐘周期)，它將數據以串行方式送到數據輸出寄存器DOR。DRDY模式持續t4(24個CLK時鐘周期)、t2(6個CLK時鐘周期)、t2(6個CLK時鐘周期)時間，然后在t3的下降沿進入DOUT模式，數據在t7之后開始輸出。而LPC2292在t6時間后為ADS1251提供SCLK時鐘，并在SCLK的上升沿鎖存數據，為了接收到有效數據，DOR數據輸出寄存器必須在DOUT／DRDY變回到DRDY模式之前將數據讀出。
A／D轉換器的部分程序如下：
4．2 CAN控制器程序設計
CAN控制器的初始化流程是：首先將ARM中CAN控制器相關的硬件和連接的引腳使能，并對CAN控制器進行復位操作，設置CAN總線的通信波特率；接著是中斷處理的初始化，然后配置驗收過濾器(即對接收標識符的查詢)，最后是初始化CAN的工作模式。初始化CAN控制器之后就可以進行數據的發送與中斷接收操作了。
CAN控制器的部分程序如下：
結 語
本文所設計的系統目前已經投入工業中實際使用，其運行性能穩定，信噪比在93 dB以上，采樣精度為19～22位。由于LPC2292中內置了RTC實時時鐘，所以本系統還可以添加實時控制的功能；也可以利用ARM剩下的I／0口等資源，輔以DC-DC電源模塊、驅動芯片、繼電器開關、光耦等元件實現多路可選相互隔離的穩定電源輸出功能，作為工業相關領域的供電設備，以而可使系統的應用更加廣泛，功能更為豐富。