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基于ARM和CAN总线的分布式数据采集系统设计

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    基于ARM和CAN总线的分布式数据采集系统设计

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    应用研究 APPLICATION RESEARCH 基于 ARM 和 CAN 总线的分布式 数据采集系统设计 Design of Distributed Data Acquisition System Based on ARM and CAN Bus 谭永宏 1,2 黎福海 2 1 湖南科技学院电子工程与物理系(湖南永州 425100) 2 湖南大学电气与信息工程学院(长沙 410082) 摘 要:针对环境监测的特点,融合嵌入式技术和 CAN 现场总线技术,采用 LPC2119 设计了一种结构简单、性 价比高、扩充灵活的分布式数据采集系统。提供了系统总体设计方案,详细说明其中的硬件与软件设 计要点,阐明系统的应用特点和应用前景。 关键词:ARM CAN总线 LPC2119 数据采集 Abstract: Aiming at the characteristics of environmental monitoring. This paper designs a simple structure,high quality-price ratio, flexible expansion distributed data acquisition system used LPC2119 and integrated with build in embedded technology and CAN-bus technology. The paper offers the system overall design plan,explains the hardware and software design consideration in detail and illuminates the application feature and foreground of the system. Key words: ARM CAN-bus LPC2119 Data acquisition 1 引言 随着计算机技术、通信技术、集成电子电路技术 的飞速发展,各个领域都面临新的发展机遇。与此同 时,市场对产品提出了更高要求。数据采集与测量领 域也需要日新月异的变化来顺应这一形势发展。目前 国内数据采集模块种类繁多,功能多样,但是在环境 监测领域,现有的数据采集系统存在成本过高、结构 复杂、环境适应性差、维护困难等不足。针对这些问 题,通过对芯片应用技术和现场总线技术等热点的研 究和探索,可以为我们寻求到解决问题的最佳方案。 本文融合 ARM 嵌入式技术和 CAN 现场总 湖南永州市科技项目资助(永科发 [2007] 13 号) 线技术,考虑经济、实用因素,提出和设计了一种结构 简单、性价比高、扩充灵活、通用性强的分布式数据采 集系统 DDAS(Distributed data acquisition system)。 2 系统总体设计 通过对环境监测的分析,其数据采集的特点有: 数 据 对象 随时 间 缓变 (如 温 度、可见 度 等),数 据点 多且分散,采集点距离远,外界环境恶劣、干扰大。 对其采集系统的设计应要求:能全天候不间断自动采 集,采集点个数多,并能根据需求灵活扩充,有远距 离数据传输能力,稳定性、抗干扰能力强,综合考虑 投资成本。 目前环境监测数据采集系统网络构成主要有:有 线方式和无线方式。无线方式投资成本大, 维护困难, 72 www.cnim.cn 2008 年第 3 期 APPLICATION RESEARCH 应用研究 数据可靠性差。有线方式以往主要是采用 RS232, RS485 收到的命令或者主动将数据发送到 CAN 总线。系统 等总线标准,但其单一的主从式结构已显现出传输波 正常运行时可以没有上位机 (PC) 的参与,但如果 特率低、通讯距离短的弊端。CAN 总线被公认为最有 有 上位机 (PC) 需要接收 处理系统 数据,LPC2119 前途的现场总线之一。其主要技术特点为:设备自动 的 UART 可以实现上位机与 CAN 的桥接,上位机只 成网并具有互操作性,可实现多主方式的串行通信, 要接入到任一节点的 UART 就可以与总线上的节点 有效支持分布式控制和实时控制;节点数可灵活扩充 通信。本系统中各节点通信可以采用点对点方式或 (最多可达 110 个);传输距离远(5kbps 速度时,最 全局广播方式,具备较强的实时性和可靠性。另外 远可达 l0km),传输速度快(在 40m 范围内,最高可 备用 JTAG 接口提供给节点进行在线调试,方便系统 达 1Mbps);支持差分收发,采用短帧结构,具有较强 维护。 的纠错能力,抗干扰能力强, CAN 总线 能够解决总线控制、冲突检 测和链路维护等问题,适合 显示 隔离 CAN 收发器 显示 隔离 CAN 收发器 高噪声环境;通信介质采用 廉价的双绞线,现场布线走 JTAG CAN 控制器 JTAG CAN 控制器 线少、安装简单。正是由于 键盘 这些其他通信方式无法比拟 的优点, 使 CAN 总线能为分 LPC2119 A/D 转换器 UART 键盘 LPC2119 A/D 转换器 UART 布式环境监测数据采集提供 更加经济、可靠、及时的数 传感器模块 1 PC 传感模块 n PC 据传输,完全满足设计及应 图 1 系统结构框图 用要求。 CAN 总线必须有微控制器作为其控制平台,PHILIPS 3 系统硬件设计 公司的 LPC2119 是一款支持实时仿真和跟踪的 16/32 LPC2119 内部集成了 UART、A/D 转换器、CAN 控制 位 ARM7TDMI-S 微控制器,具备 ARM 处理器性能高、稳 器等多种功能模块,所以本系统的硬件电路非常简单, 定性好、成本低和能耗小的特点。芯片内部集成了 包括系统核心 LPC2119、电源电路、复位电路、时钟 128k Flash 程序存储器、16k RAM、I2C 串行接口、2 电路、按键电路、显示电路、RS232 电平转换电路、 路 CAN 控制器、2 个 32 位定时器, 2 个 UART,4 通道 CAN 接口收发器电路。系统主要硬件连接电路如图 2 10 位 A/D 转换器等多种功能模块,而外形尺寸仅拇指 所示。 盖大小。LPC2119 集成的功能模块多数都是本系统的 系统通过 LPC2119 的 UART0(P0.0,P0.1) 与上 需求,因此非常适合于本系统。 位机进行数据交换。但由于 UART 输出的信号电平(TTL 本系统结构框图如图 1 所示,整个系统由若干数 电平)上位机 RS232 接口信号电平不一致,所以必须 据采集处理节点组成,节点可按环境监测的需求分 进行电平转换。基于系统低功耗的设计要求,这里采 布。系统工作时,采集点的监测参数通过传感模块 用 SP3232 芯片来实现这一功能,SP3232 芯片所需的 转化为模拟电信号,此信号送入 LPC2119 的逐次逼近 供电电压低,其外围电路连接简单,仅需几个 0.1 F 式 ADC 进行数模转换,然后 LPC2119 内核可以进行数 的电容即可。 据处理、存储或显示,并通过 CAN 总线实现节点间数 CAN 接口电路实现 CAN 控制器和通信线路的物 据传输。CAN 总线以“平等主体”的形式连接各节点, 理连接。本系统的 CAN 接口选择致远公司的 CTM1050 形成一个多主控制器的局域网,各节点可以根据接 芯片,使电路更为简洁而且成本更低,同时可靠性得 2008 年第 3 期 www.cnim.cn 73 应用研究 APPLICATION RESEARCH 节点主程序流 传感模块 P0.27- P0.30/ 60 60 程图如图 3 所示,为 了便于软件系统的 16 VCC 104 2 6 V+ C1+ 1 C1- 34 104 PC 104 15 14 13 7 8 V- GND T1 OUT R1 IN T2 OUT R2 IN C2+ C2- T1 IN R1 OUT T2 IN R2 OUT 5 1121 10 9 SP3232E 104 P0.25/RD1 P0.0/TxD0 TD1 P0.1/RxD0 HTAL1 +5V HTAL2 4 3 2 1 RXD TXD GND VCC CANH CANL CANG 6 78 CTM1050 调 试 和 完 善,各 功 能模块均编成子程 序,分 别 为 系 统 初 始 化 子 程 序、键 盘 监 控 子 程 序、数 据 采集处理子程序、系 30p 11.0592MHz LPC2119 1M 60 60 统通信子程序和显 示子程序。 系统初始化以 30p 后,节 点 就 可 以 工 图 2 系统主要硬件连接图 作。数 据 采 集 子 程 以提高。CTM1050 符合 ISO11898 标准,主要功能是 序用来启动 A/D 转换,将采集值存入 RAM 并送入显示 将 CAN 控制器的逻辑电平转换为 CAN 总线的差分电 缓存区。显示子程序负责将显示缓存区的数据进行显 平,其内部集成了所有必需的 CAN 隔离及 CAN 收、发 示。键盘监控子程序负责系统的正常运行,判断键 器件,无需外加元件可直接使用。芯片具有 DC-2500V 盘键号,并将键号送入系统,以及调用各种子程序 的隔离功能,高低温特性好,完全满足工业级产品技 和管理中断服务程序。系统通信子程序负责 CAN 总 术要求。 线以及与 PC 机的数据接收和发送,是系统软件设计 本设计中 CAN 终端电阻使用了分裂终端,即总线 的关键。 端节点的 2 个终端电阻都被分成两个等值的电阻,用 开始 两个 60 的电阻代替一个 120 的电阻,这种设计可以 有效的减少辐射,总线性能得到优化。按键电路、显 示电路实现分布节点的基本人机交互界面。 系统初始化 (微控制器、ADC、UART 以及 CAN 控制器的初始化) 4 系统软件设计 开启 UART 中断 开启 CAN 总线中断 在本系统中,各节点独立完成相应的数据采集、处理、 存储以及显示等任务,数据通信时各节点是“平等主 体”,可以采用点对点方式或全局广播方式通信,同 时每个节点均可作为上位机与 CAN 总线的连接点。因 此系统软件应包括 PC 机应用软件和分布节点程序 两大部分,前者通过 UART 发出系统数据收集命令 并接收、存储数据,可用高级语言 VB 或 VC 来编写; 后者是本系统软件设计的关键。本设计选择代码编辑 调试环境 ADS1.2,采用模块化设计方法。节点程序分 成主程序、CAN 中断服务程序和 UART 中断服务程序 3 部分。 通信处理 Y 扫描键盘/读控制区 判断有无通信需求 N 数据采集 数据处理、存储 数据显示 图 3 节点主程序流程图 74 www.cnim.cn 2008 年第 3 期 APPLICATION RESEARCH 应用研究 系统通信中,CAN 通信部分通过中断来实现。该 之一,启动发送。这样的软件设计可以提高大量数据 中断服务程序是设计的重点,也是难点。CAN 控制器 发送的效率。 的初始化通过主程序来完成,初始化后,一旦总线对 节点提出数据要求,各节点即进入 CAN 中断服务程序, 5 结束语 图 4 为 CAN 中断服务程序流程图。 为满足现场环境复杂、采集点分散、外界干扰大 的数据采集需要,本文基于 ARM 和 CAN 总线技术设计 中断入口 了一种分布式数据采集系统。 系统采用 ARM7TDMI 内核的嵌入式微控 延时 出错中断 判断是哪种中断 超载中断 清除超载状态 释放接收缓存 制器 LPC2119。该芯片丰富的硬件资源使系 统电路简单,结构紧凑,有较高的可靠性和 接收中断 抗干扰能力。同时该系统成本低,易构建, N 接收数据 是否为远程帧 重新请求数据 具有很强的扩展性,在气象数据采集中进行 实际应用, 证实该设计的合理性及通用性, 存储数据 Y 达到设计的初衷。本系统可广泛应用于气象、 释放接收缓存 发送数据 水文、交通、环保等行业,满足经济实用的 要求,具有良好的实用价值和应用前景。 中断返回 图 4 CAN 中断服务程序流程图 在通信中,存在数据超载、总线错误等异常情况, 这些异常需要在中断处理中得到及时的处理,否则有 可能引起指令的丢失。LPC2119 中 CAN 报文的接收采 用环形缓冲结构,可避免接收到的数据因为没有得到 及时处理而造成数据丢失。 在 CAN 报文的发送软件处理中,由于 LPC2119 中 的 CAN 控制器配有 3 个独立的发送缓冲寄存器,每个 缓冲区的状态可以通过查询 CANSR 得知。所以在设计 发送程序的时候先判断哪个缓冲是空闲的,然后根据 缓冲区的实际情况有选择的把数据写入 3 个发送缓冲 参考文献 1 邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计.北京航空航 天大学出版社,1996. 2 Philips Semiconductor . LPC2119 Data sheet, 2003. 3 周立功.ARM 嵌入式系统基础教程.北京航空航天大 学出版社,2005. 4 CAN Specification 2.0 Part A. Philips Semi- conductors,1993. 5 饶运涛, 邹继军, 郑勇芸. 现场总线 CAN 原理与应用 技术.北京航空航天大学出版社,2003. 作者简介:谭永宏,实验师,硕士生,主要研究方向为嵌入 式系统应用设计,信号处理。 2008 年第 3 期 www.cnim.cn 75

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