郭 然

(浙江衢州廣播電視大學(xué)，衢州 324000)

0 引言

潛孔鉆車體積龐大，傳感器布置分散，使用環(huán)境較為惡劣，傳統(tǒng)的信號(hào)采集容易受到干擾，而且由于距離較長(zhǎng)，衰減厲害，給潛孔鉆車電氣控制帶來(lái)麻煩。CAN (Controller Area Network) 總線，也稱控制器局部網(wǎng)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它能提供高速數(shù)據(jù)傳送，在短距離（40m）條件下具有高速（1Mbit/s）數(shù)據(jù)傳送能力，而在最大距離10Km時(shí)具有低速（5kbits/s）傳輸能力，非常適合在潛孔鉆車電氣平臺(tái)上，實(shí)時(shí)傳送潛孔鉆車平臺(tái)上的溫度、濕度、壓力等信號(hào)到控制中心進(jìn)行集中處理。

1 節(jié)點(diǎn)通信硬件設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)的通信硬件電路主要由微處理器、CAN總線通信控制器和CAN總線收發(fā)器組成。其中，通信控制器是節(jié)點(diǎn)硬件的核心，它主要完成CAN總線的通信協(xié)議[2]。而收發(fā)器的作用是增大通信距離，保護(hù)系統(tǒng)不受干擾。本文設(shè)計(jì)的CAN節(jié)點(diǎn)通信芯片采用PHILIPS的SJA1000總線通信控制器，微處理器采用AVR的ATMEGA16A，收發(fā)器采用82C250，為提高抗干擾性，增加了高速光電耦合器6N137。

注意CAN通信節(jié)點(diǎn)兩端應(yīng)接有兩個(gè)120歐姆電阻，以匹配總線阻抗。

2 節(jié)點(diǎn)信號(hào)調(diào)理電路

本文設(shè)計(jì)的新型信號(hào)調(diào)理電路主要完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)的低通濾波和線性隔離等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)4~20mA的電流信號(hào)到0~5V電壓信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換[3]。

信號(hào)調(diào)理電路的核心是Burr-Brown公司的RCV420和HP公司的HCNR201[4]。RCV420是一個(gè)精密電流環(huán)接收器，將4~20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~5V的電壓信號(hào)，性能優(yōu)異，可靠性高。輸出與輸入關(guān)系公式為：

Vo=312.5×In-1.25

HCR201是一種高線性度的模擬光電耦合器。最大非線性為0.05%，最大帶寬在1MHZ以上，耐壓指標(biāo)為5KV/min，性能穩(wěn)定，能在直流/交流、單極/雙極等條件下工作。本文設(shè)計(jì)的線性光電耦合電路如圖2所示。

輸入側(cè)使用了一個(gè)外接的反饋放大器，以監(jiān)測(cè)LED輸出的光的強(qiáng)度，并自動(dòng)補(bǔ)償LED的非線性。輸出側(cè)的光電二極管PD把線性化的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電流，通過(guò)輸出側(cè)的放大器轉(zhuǎn)換為電壓，從而完成高線性度的模擬電壓隔離，同時(shí)完成低通濾波器的功能。電路的轉(zhuǎn)換公式為：

根據(jù)公式可看出，Vin與Vout之間是線性關(guān)系，與LED的輸出非線性無(wú)關(guān)。電路的增益由R2和R1的比值來(lái)決定。

將上述兩部分電路組合在一起，即可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用、高精度的信號(hào)調(diào)理電路，調(diào)理電路的輸入輸出方程如下：

信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換部分由微處理器內(nèi)部自帶10位AD完成，簡(jiǎn)化了硬件電路，從而使整個(gè)系統(tǒng)的安全性大大提高。

3 高效率電源設(shè)計(jì)

電源是電子系統(tǒng)的心臟，是整機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，其性能的好壞直接影響整機(jī)的運(yùn)行。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況，本文設(shè)計(jì)了一種高效率、高功率密度的DC/DC電源，采用富士通公司的MB39A135電源管理芯片[5]。MB39A135采用Nch/Nch同步整流主電路側(cè)FET Sense型電流模式。檢測(cè)線圈電流（IL）和輸出電壓（VO），進(jìn)行 On Duty 的控制。該產(chǎn)品通過(guò)內(nèi)置PFM功能在全負(fù)荷領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高效率工作，通過(guò)采用電流模式實(shí)現(xiàn)比過(guò)去的電壓模式更快速的負(fù)荷過(guò)渡響應(yīng)特性。

圖3 MB39A135 引腳圖

圖4 電源轉(zhuǎn)換電路

該芯片有兩種工作模式：PFM/PWM 自動(dòng)切換模式、PWM強(qiáng)制模式。其設(shè)定方法如表1所示

表1 模式設(shè)定

電源轉(zhuǎn)換電路圖圖4所示

可以通過(guò)調(diào)整圖4中的電阻R8和R9的比來(lái)設(shè)定輸出電壓，設(shè)定電壓公式為：

通過(guò)調(diào)整RT引腳處的電阻設(shè)置工作頻率，頻率公式為

通過(guò)測(cè)試，當(dāng)負(fù)載為1A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為93%，輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率為0.5%，輸出電壓的波紋值為20mV，啟動(dòng)時(shí)間為3mS。符合性能指標(biāo)要求。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的CAN智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了將潛孔鉆車上常用的(4～20mA)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠進(jìn)行CAN總線通信的串行通信信號(hào)，擴(kuò)大信號(hào)的傳輸距離的同時(shí)提高了通信速率，并且增強(qiáng)了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性[6]，保證了潛孔鉆車電氣平臺(tái)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。節(jié)點(diǎn)以微控制器ATMEGA16A為核心，具有八路(4~20mA)模擬信號(hào)輸入，由CAN通信控制器SAJl000和CAN總線協(xié)議控制器PAC82C250組成CAN總線接口電路。電源采用的是一款低功耗電壓電源管理芯片MB39A138，可以根據(jù)設(shè)計(jì)可以控制輸出電壓，通過(guò)外圍電路的設(shè)計(jì)為系統(tǒng)提供各種保護(hù)功能。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、低功耗、高性價(jià)比的特點(diǎn)，非常適合于潛孔鉆車的使用環(huán)境，還可根據(jù)傳感器的布局任意組網(wǎng)， 使用效果良好。

[1]仲偉波,丁修方.基于CAN總線的船舶機(jī)艙延伸報(bào)警系統(tǒng)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2012.3

[2]苗中華,褚劍鋼等.采棉機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)CAN應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012.2

[3]IAN B and ALAN B.Timely use of the CAN protocal in critical HardReal-time systems with faults[J].IEEE Transactions on industrial electronics，2007.5

[4]王文建.基于CAN總線的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制管理系統(tǒng)[J].自動(dòng)化博覽，2005.6 [5]GIANLOUCN C and ADRIANO LV.An improved CAN fieldbus for industrial applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006.5

[6]徐剛,王樹(shù)龍等.基于CAN總線的液氮泵車控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012.12