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1、 Proceedings of the 25th Chinese Control Conference 7-11 August, 2006, Harbin, Heilongjiang 基于CAN总线的波动仿生推进器数据采集系统 张国忠，林龙信，张代兵，沈林成 国防科学技术大学机电工程与自动化学院, 长沙 410073 E-mail: zgz_ 摘 要：为了实现波动仿生推进器分布式控制系统中各控制节点的数据实时采集与可靠传输，构建了一种基于 CAN总线的数据采集传输系统。 该系统采用单总线A/D转换器DS2450和串行D/A 转换器AD5551来实现数据采集 与控制工作。文章对系统的硬件配置以及
2、DS2450和AD5551的软件实现进行了详细说明。试验结果表明，该系 统满足分布式控制系统中数据通信的高可靠性和实时性要求。 关键词： CAN总线，数据采集传输，波动仿生推进器，单总线，串行D/A The Data Collection and Transmission System of Undulated Biomimetic Propulsor Based on CAN Bus Guozhong Zhang, Longxin Lin, Daibing Zhang, Lincheng Shen College of Mechatronics Engineering and Automat
3、ion, National University of Defense Technology, Changsha, 410073 E-mail: zgz_ Abstract: The data collection and transmission system based on CAN Bus is designed and realized in order to implement the real-time data collection and reliable transmission in distributed control system of Undulated Biomi
4、metic Propulsor. 1-wire A/D DS2450 and Serial D/A converter AD5551 are used to implement data collection and transmission. The architecture of the system is introduced from the viewpoint of the hardware. The software realization methods of DS2450 and AD5551 are also explained. Many experiments demon
5、strate that the proposed system has characteristic of high reliability and real time performance. Key Words: CAN Bus, Data Collection and Transmission, Undulated Biomimetic Propulsor, 1-Wire Bus, Serial D/A converter 1 引言 (Introduction) 目前螺旋桨在推进机理和试验技术上已经十分 成熟，其推进效率可提高幅度有限。水中生物推进 方式的推进效率远远高于螺旋桨推进器，据
6、文献报 道，一种极为稀少的淡水鱼“尼罗河魔鬼” （Gymnarchus Niloticus）的最大速度可达5BL/s （BL/s身体长度/秒），推进效率最大可达0.9以 上。作为一种面向无人潜航器的新型仿生推进装 置， 波动仿生推进器主要是模仿 “尼罗河魔鬼” （如 图1所示）的长背鳍波动方式，利用多背鳍之间的协 同控制来产生推力、升力、偏航和俯仰力矩。 波动仿生推进器控制系统采用基于PC104嵌入 式计算机的数字控制方案，控制由高到低共分为载 体运动控制、多鳍协同的推进与姿态控制、单鳍的 波形控制、电机的速度与位置控制四个层级。采用 PC104 模块组成多板式嵌入系统，使得整个系统都 能够内
7、嵌在仿生推进器内部。运用该嵌入式系统，IEEE Catalog Number: 06EX1310 可以完成数据采集传输、外设通信，实现控制算法 等功能，真正实现自主式水下仿生推进。 控制器局域网（CAN）是一种能够有效支持具 有很高安全等级的分布实时控制的串行通讯协议。 CAN 的应用范围很广，从高速的网络到通用的多路 接线都可以使用CAN。 在汽车电子行业里， 使用CAN 连接发动机控制单元、传感器、防刹车系统等等， 其传输速度可达1Mbit/s。波动仿生推进器内部通讯 总线的工作环境有很多类似于汽车内部总线的特 性，如强机械震荡、电磁干扰等，而且CAN总线在 机器人内部通讯系统中的应用已经
8、有了许多成功的图1 仿生对象“尼罗河魔鬼” Fig.1 Gymnarchus Niloticus 1483先例12。 因此在波动仿生推进器的内部通讯总线设 计中采用CAN 协议。 在基于CAN总线的波动仿生推进器分布式控制 系统设计中，数据的采集与传输是关键环节，对实 时性、可靠性要求较高。一些节点必须具有数据采 集传输功能，一方面能够将传感器检测的模拟信号 （如温度、 压力等） 通过A/D转换器转换为等价的数 字信号，传送到PC104主机中；另一方面能够将 PC104主机输出的数字信号转换为模拟信号， 作为控 制系统的输出去控制执行机构的各种参数。 2 数据采集传输系统的功能(Functio
9、n of Data Collection and Transmission Sys- tem) 波动仿生推进器分布式控制系统采用由PC104 模块组成的多板式嵌入系统， 因此基于PC104总线通 信， 可以集成SBS公司开发的CAN卡模块与Diamond 公司开发的A/D、D/A模块，从而实现推进器主控计 算机PC104节点的数据采集与传输。但是基于PC104 总线的数据采集和传输系统不通用，在其它不是 PC104主控节点的单片机控制节点上， 不能够采用该 系统进行数据采集和传输。因此，在波动仿生推进 器分布式控制过程中有必要开发一种通用的基于 CAN总线的数据采集传输系统，以满足分布式控制
10、系统中各控制节点的数据采集和传输的需要。 基于CAN总线的波动仿生推进器数据采集传输 系统，具有下列功能： 1、数据收发功能，能实现CAN总线上不同节点 间信息传送， 主要是上位机PC104模块与数据采集传 输CAN节点间的双向通信； 2、数据测量功能，包括对模拟量的采样测量输 入并进行预处理； 3、执行功能，能输出与上位机给出的数字量等 价的模拟量以驱动外部模拟设备的工作。 4、监视功能，显示节点当前工作状态，实时显 示采样输入值、执行输出值以及数据收发状态等信 息。 按照上述功能建立的基于CAN总线的波动仿生 推进器数据采集传输系统在整个波动仿生推进器中 处于图所示的结构之中。PC104主
11、控模块通过 CAN适配卡与其它CAN节点组成CAN网络；A/D采 集节点将采集到的外界模拟信号转换成相应的数字 信号并上传给PC104主控模块；D/A控制节点响应 PC104的命令， 将要求的数字信号转换成模拟信号并 对控制对象施加控制；致动单元节点则根据PC104 的命令，产生脉宽调制信号驱动若干伺服电机实现 波动仿生推进器的波形控制功能；姿态测量节点将 波动仿生推进器的姿态数据实时上传给PC104， 以利 于PC104的上层协调控制。 基于CAN总线的波动仿生推进器各CAN节点具 有相同的CAN协议控制模块，本文只对数据采集传 输CAN节点进行具体的介绍，其它部分可参考作者 的其它相关文献
12、。 图2 基于CAN总线的波动仿生推进器结构图 Fig.2 Structure of Undulated Biomimetic Propulsor Based on CAN Bus3 硬件设计实现 (Design and Implementation of Hardware) 数据采集传输CAN节点是一个智能节点，该智 能节点的原理如图3所示。 采用AT89C51单片机为微 控制器，通过CAN控制器SJA1000和CAN收发器 PCA82C250实现与CAN总线的连接。通过一个A/D 转换器DS2450实现对外部模拟量的采样输入，通过 D/A转换器AD5551实现对模拟量的控制输出。 其中，S
13、JA1000和PCA82C250是PHILIPS公司高 性能的CAN芯片。SJA1000是一个独立的CAN控制 器，具有两种不同的操作模式：BasicCAN模式和 PeliCAN模式。PCA82C250控制从CAN控制器到总 线物理层或相反的逻辑电平信号，是CAN控制器和 物理总线的接口；它对总线提供差动发送能力，对 CAN控制器提供差动接收能力。 为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，在系统 中对某些环节作了一定的处理。在SJA1000和 82C250之间通过高速光耦6N137相连，实现了CAN 总线上各CAN节点的电气隔离。在82C250与CAN总 线的接口处， 82C250的CANH和CA
14、NL引脚各通过一图3 数据采集传输CAN节点原理框图 Fig.3 Principle Diagram of CAN Node for Data Collection and Transmission 1484个5的电阻与CAN总线相连， 可起到一定的限流作 用。CANH与地之间、CANL与地之间分别都并联了 一个30P的小电容和一个保护二极管， 可以起到滤除 总线上的高频干扰和一定的过压保护作用。 DS2450是Dallas公司推出的符合单总线协议的 4通道逐次逼近式模数转换器， 其每个通道都具有各 自的寄存器组来存储输入电压的范围、分辨率、报 警门限值以及输入电压偏离指定范围时的使能标 志。
15、普通方式下，其串行通信速率达16.3kb/s，超速 工作模式时速度可达142kb/s。它还具有116位可编 程分辨率的能力。DS2450在工作原理上与一般的模 数转换器没有根本的区别，但由于采用了单总线接 口，使得它的外部接口电路及操作方式与传统模数 转换器有着极大的区别。DS2450是目前惟一的单总 线模数转换芯片，具有一些独特的特性，可参考 Dallas公司的相关技术资料。其8脚SOIC封装，很适 用于体积受限、结构要求简单的场合。DS2450与 89C51的接口电路如图4所示。微处理器的P1.1引脚 作为单总线的接口，可以挂接多个单总线设备，在 本系统的应用里，只使用了一个DS2450。
16、 AD5551是美国ADI公司生产的一种串行输入电 压输出的数模转换器，具有单一+5V电源供电、14 位分辨率、快速稳定时间、施密特触发输入、三线 串行接口、内含上电复位电路等特点。AD5551也是 8脚SOIC封装， 同样十分适用于波动仿生推进器内部 数据采集传输系统之中。AD5551与微处理器通常采 用三线串行接口，其会话通道需要一个由时钟信 号、数据信号和同步信号组成的三线接口。在系统 中，它与89C51的连接如图5所示。图中，微控制器 的TXD引脚用于驱动AD5551的SCLK引脚，同时 RXD驱动AD5551的串行数据线DIN， P1.2驱动CS引 脚。DIN上的数据只有在SCLK的下降沿有效。由于 AD5551的时钟数据在串行时钟的上升沿时进入输 入移位寄存器，所以在接口上必须将TXD的时钟翻 转。它们之间均通过高速光耦6N137进行了光电隔 离，确保外部采样电路不会对微控制器造成太大影 响。 图5 AD5551与微处理器
