基于CAN总线的分布式热电阻智能节点的设计

1  引言

现场总线技术是当今自动化领域发展的热点，德国bosch公司的can是为解决汽车内部的复杂硬信号接线提出的，而其应用范围正逐渐向过程控制、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。can总线以其独特的设计、低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强等特点得到了广泛的应用。本文选用can总线设计了分布式热电阻智能节点，利用can总线连接各个网络节点，可以直接与主控卡或上位机通信，组建成工业网络分布式测控系统。
2  热电阻智能节点硬件设计

2.1智能节点整体结构

本热电阻智能节点设有4路输入通道，支持3线制方式，支持热电阻类型有cu50、cu100和pt100，采用freescale mc9s12d64单片机作为微控制器，其内部有一个can通信模块（mscan），符合can2.0a/b标准，所以不需要扩展can通讯控制器。can接口收发器采用pca82c250作为can通信模块和物理传输线路之间的接口。节点通过24位a/d转换器ads1216对组态通道进行采样，由于热电阻的阻值与温度成正比关系，需将已知电流流过该电阻以得到与温度成正比的输出电压。本文使用ads1216的两个8位电流输出idac1和idac2作为恒流源，通过模拟开关max355选通相应的组态通道，然后ads1216对得到的电压信号进行采样并输出至微控制器，经校正后进行标度变换转化成相应的电阻值，查热电阻分度表即可得到所测温度。本节点也可通过rs485接口并严格按照modbus协议进行通信，rs-485收发器采用sn65lbc184。

本热电阻智能节点硬件结构框图如图1所示。

 
图1 热电阻智能节点硬件结构框图

2.2信号输入端电路与采样电路

信号输入端电路与采样电路原理图如图2和图3所示。

图2 热电阻信号输入端电路

图3  a/样电路

max355差动4通道模拟开关接4路热电阻信号转换电路，图中只画出第一路转换电路，接线方式为三线制，使能端en接高电平，使max355一直有效。a0、a1引脚接至mc9s12d64单片机的pp0和pp1端，用于选通某一路热电阻信号进行转换与测量。当max355选通某一通道后，该通道将与公共端接通，假设选通通道1，200ua恒定电流由no1a和no1b输出流经热电阻产生毫伏级电压信号，此信号在vin1和vin2处被ads1216采样。

ads1216组成4路全差分通道。单片机通过porta与ads1216通信，用于控制ads1216选通某一路模拟量输入通道并进行采样，每一个控制信号均通过光耦合器和两个施密特触发器进行数字隔离，这样做可有效抑制各种噪声干扰，提高传输通道上的信噪比。ads1216采样每一路通道之前均进行偏置与增益自校准。当/drdy变为低电平，标志着数据寄存器中数据已准备好，单片机便从24位数据输出寄存器（dor）读取转换结果。

2.3 can和rs-485通信电路

can和rs-485通信电路原理图如图4所示。

mc9s12d64单片机的can输入与输出引脚（rxcan0和txcan0）分别接至收发器pca82c250的txd和rxd引脚。pt2用来控制数据接收与发送，当pt2为低电平时，接收数据；当pt2为高电平时，发送数据。输入rs通过一电阻接地，使pca82c250工作在斜率控制模式下。sn65lbc184为具有瞬变电压抑制的rs485差分收发器，因此本智能节点可以接入采用canbus或rs485的测控系统，并方便的与各种组态软件进行通信。

 
图4  can和rs-485通信电路

3  热电阻智能节点软件设计

3.1概述

单片机程序用mc9s12汇编语言编写。在主程序首先完成各寄存器和存储单元的初始化，再通过调用读取地址子程序，得到i/o板卡的地址和can通信波特率，再完成mscan模块和ads1216初始化。随后调用e2prom中组态信息，对每一路组态通道进行信号转换，数字滤波及温度查表计算等，其主程序流程图如图5所示。[page]

 
图5 热电阻智能节点主程序流程图

由于现场的各种干扰很容易使信号失真，从而使a/d转换结果产生比较大的误差。因此在对信号进行有效的硬件滤波后还需进行软件滤波，本节点采用了数字中值滤波、算术平均、加权滤波等方式。