本科生畢業設計（論文）基于CAN總線的多信息量測試系統硬件設計HardwareDesignofMulti-informationTestSystemBasedonCANBus總計：畢業設計（論文）25頁表格：0個插圖：20幅學院（系）：電子與電氣工程系專業：電子信息工程基于CAN總線的多信息量采集[摘要]基于CAN總線的多信息量采集系統是由數據采集模塊和數據傳輸模塊兩部分組成。數據采集系統由相應的傳感器和數據轉換電路組成。采用89C51單片機控制MAX197A/D轉換器芯片工作，并存儲轉換結果。在數據傳輸模塊中，單片機利用CAN總線傳送數據，CAN總線上的數據經過USB-CAN轉換器傳送到上位機中。89C51負責整個轉換器的監控任務以及CAN總線與USB的通信任務。CAN控制器接口電路由CAN通信控制器SJA1000和CAN收發器89C250組成，通過采用中斷的方式來接收USB與CAN總線的報文。[關鍵詞]CAN總線；單片機；轉換；數據采集；HardwareDesignofMulti-informationTestSystemBasedonCanBusAbstract:Multi-informationtestsystembasedoncanbus,includingdataacquisitionanddatatransmissionmodule.Dataacquisitionsystemcomposedofcorrespondingsensorsanddataconversioncircuit.MCUcontrolA/Dconverterwork,andtheresultswerestoredinthemicrocontroller.MCUsendtheresultstoCANbus.MCUsenddatathroughCANbus,DataofCANbusthroughUSB-CANconvertertosendtothehostmachine.Converterusing89C51microcontroller,itresponsibleformonitoringtasksthroughouttheconverter,CommunicatingtaskamongCANbusandUSB.CANcontrollerinterfacecircuitcomposedofthecommunicationcontrollerSJA1000CANandCANtransceiver89C250.CANcontrollerthroughtheuseofinterruptstoreceiveUSBandCANbusmessages.Keywords:CANbus;MCU;dataconversion;acquisition;目錄1引言 21.1課題背景 31.2CAN總線的概況 31.2.1現場總線簡述 31.2.2CAN總線特點 31.2.3CAN總線的分層結構 42硬件電路的設計原理 52.1總體設計思路 52.2A/D轉換原理的介紹 52.2.1采樣和保持 52.2.2量化與編碼 72.2.3A/D轉換器的種類 72.3多信息量采集原理 72.4真空度測試原理 102.5銫氧源電流的測試原理 112.6光電流測試原理 122.7CAN總線與USB轉換的原理 133硬件電路的模塊介紹 133.1A/D器件的說明 133.3A/D轉換電路的介紹 143.4多信息量測試硬件電路設計 173.5USB—CAN通信轉換模塊的硬件設計 183.6CH372的介紹 194硬件電路設計的注意事項 214.1USB-CAN轉換電路設計 214.2A/D轉換器芯片選取 214.3電源選取 22結束語 23參考文獻： 24致謝 251引言1.1課題背景現場總線是用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通訊網絡。它作為工廠數字通信網路的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這是一項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術。本課題在深入研究CAN現場總線協議后，力求能設計出符合CAN總線協議的現場智能節點模塊，能夠接收和處理現場信號并能將處理好的信號發送給現場控制器和現場執行器完成轉換任務。本課題的最終目的是達到對現場總線控制系統的掌握和應用，并且掌握用電子硬件開發的思路和方法，培養和提高個人的獨立科研及設計能力。作為現場控制系統中最為底層的設備就是現場智能I／O模塊，它是完成整個控制功能的非常重要的一環，它是控制系統內部的樞紐，有著不可替代的作用。1.2CAN總線的概況1.2.1現場總線簡述現場總線是指開放式、國際標準化、數字化、相互交換操作的雙向傳送、連接智能儀表和控制系統的通信網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統。這是一項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，是信息化帶動工業化和工業化推動信息化的適用技術，是能應用于各種計算機控制領域的工業總線，因現場總線潛在著巨大的商機。1.2.2CAN總線特點CAN屬于總線式串行通信網絡，由于其采用了許多新技術及其獨特的設計，與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，因而一些世界著名的汽車廠商如BENZ，BMW，ROLLS．ROYCE等都采用CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信[1]。其特點可概括如下：(1)CAN為多主方式工作，也就是說網絡上的任何一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，通信方式比較靈活，而不用站點地址等節點信息。(2)CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求，高優先級的數據最多可在134us內得到傳輸。(3)CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點會主動地退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁的時間。(4)CAN總線只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據。(5)CAN的直接通信距離最遠可達10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可達lMbps(此時通信距離最長為40m)。(6)CAN上的節點主要取決于總線驅動電路，目前可達110個；報文標識符可達2032種(CAN2．0A)，而擴展標準(CAN2．081的報文標識符幾乎不受限制。(7)CAN總線采用短幀結構，傳輸時問短，受干擾概率小，具有極好的檢錯效果。(8)CAN的每幀信息都有CRC檢驗及其他檢錯措施，保證了數據出錯率極低。(9)CAN通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。1.2.3CAN總線的分層結構CAN遵從OSI模型，按照OSI基準模型[2]，CAN結構劃分為兩層：數據鏈路層和物理層，其中數據鏈路層包括邏輯鏈路層LLC和媒體訪問控制層MAC。如圖1所示:圖1CAN總線的分層結構LLC子層的主要功能是：為數據傳送和遠程數據請求提供服務，確認由LLC子層接收的報文已被接收，并為恢復管理和通知超載提供信息。MAC子層的功能主要是傳送規則，亦即控制幀的結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。物理層的功能是有關全部電氣特性在不同節點問的實際傳送。CAN技術規范2．0B定義了數據鏈路中的MAC子層和LLC子層的一部分，并描述與CAN有關的外層。物理層定義了信號怎樣進行發送，因而，涉及位定時、位編碼元和同步的描述。MAC子層是CAN協議的核心，它描述由LLC子層接收到的報文和對LLC子層發送的認可報文。MAC子層可響應報文幀、仲裁、應答、錯誤檢測標定。MAC子層有稱為故障界定的一個管理實時監控，它具有識別永久故障或短暫擾動的自檢機制。LLC子層的主要功能是報文濾波、超載通知和恢復管理按照IEEE802．2和802．3標準，物理層劃分為：(1)物理信令(PLSPhysicalSignaling),(2)物理媒體附屬裝置(PMAPhysicalMediumAttachment),(3)媒體相關接121(MDIMediumDep-endentInterface)。數據鏈路層又劃分為：(1)邏輯鏈路控鋁IJ(LLCLogicLinkContr01),(2)媒體訪問控鏈IP(MACMediumAccessContr01)。2硬件電路的設計原理2.1總體設計思路本設計的總體設計思路是，用采集真空度，銫氧源電流，光電流傳感器輸出的信號先通過A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號。然后把數字信號傳送給CAN收發器，使其傳送到CAN總線上。在CAN總線上的數據，再通過USB-CAN總線轉換電路，將采集到得數據輸送的電子計算機當中。原理框圖如圖2所示。2.2A/D轉換原理的介紹將時間連續和幅值連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字量，A/D轉換一般要經過采樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，有些過程是合并進行的，如采樣和保持，量化和編碼在轉換過程中是同時實現的[3]。2.2.1采樣和保持采樣是將時間連續的模擬量轉換為時間上離散的模擬量，即獲得某此時間點（離散時間）的模擬量值。因為，進行A/D轉換需要一定的時間，在這段時間內輸入值需要保持穩定，因此，必須有保持電路維持采樣所得的模擬值。采樣和保持通常是通過采樣-保持電路同時完成的。為使采樣后的信號能夠還原模擬信號，根據取樣定理，采樣頻率fS必須大于或等于2倍輸入模擬信號的最高頻率fImax，即兩次采樣時間間隔不能大于1/fS，否則將失去模擬輸入的某些特征。圖2總體設計框圖如圖3所示給出了采樣-保持電路的原理圖和經采樣、保持后的輸出波形。圖中采樣電子開關S受采樣信號S(t)控制，定時地合上S，對保持電容CH充放電。因A1、A2接成電壓跟隨器，此時vO=vI。S打開時，保持電容CH因無放電回路保持釆樣所獲得的輸入電壓，輸出電壓亦保持不變。-+-+-+-+∞∞開關控制電路vOvICHSvI,vOOtOt圖3采樣-保持電路原理圖2.2.2量化與編碼數字信號不僅在時間上是離散的，而且在幅值上也是不連續的。任何一個數字量只能是某個最小數量單位的整數倍。為將模擬信號轉換為數字量，在轉換過程中還必須把采樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上。這一過程稱為數值量化，簡稱量化。量化過程中的最小數值單位稱為量化單位，用△表示。它是數字信號最低位為1，其它位為0時所對應的模擬量，即1LSB。量化過程中，采樣電壓不一定能被△整除，因此量化后必然存在誤差。這種量化前后的不等（誤差）稱之為量化誤差，用ε表示。量化誤差是原理性誤差，只能用較多的二進制位縮小量化誤差。量化的近似方式有：只舍不入和四舍五入兩種。只舍不入量化方式量化后的電平總是小于或近似等于量化前的電平，即量化誤差ε始終大于0，最大量化誤差為△，即εmax=1LSB。采用四舍五入量化方式時，量化誤差有正有負，最大量化誤差為△/2，即∣εmax︱=LSB/2。顯然，后者量化誤差小，故為大多數A/D轉換器所采用。量化后的電平值為量化單位△的整數倍，這個整數用二進制數表示即為編碼。量化和編碼也是同時進行的。2.2.3A/D轉換器的種類按工作原理不同，A/D轉換器可以分為：直接型A/D轉換器和間接型A/D轉換器。直接型A/D轉換器可直接將模擬信號轉換成數字信號，這類轉換器工作速度快。并行比較型和逐次比較型A/D轉換器屬于這一類。而間接型A/D轉換器先將模擬信號轉換成中間量（如時間、頻率等），然后再將中間量轉換成數字信號，轉換速度比較慢。雙積分型A/D轉換器則屬于間接型A/D轉換器。本文采用的MAX197是逐次逼近型的A/D轉換器。2.3多信息量采集原理在模／數轉換中，一般要完成采樣、量化和編碼3個內容。而最重要的是如何采樣數據。2.3.1采樣信號的頻譜

。。采樣過程是通過采樣脈沖序列p(t)與連續時間信號x(t)相乘來完成的，理想脈沖采樣過程如圖4所示。其采樣序列如公式(1)所示（1）采樣信號如公式(2)所示(2)x(t)X(ω)0t-ωm0ωmωp(t)P(ω)……0t-ωs0ωsωx(t)X(ω)-TS0TSt-ωs0ωsω圖4理想脈沖采樣過程如果有公式(3)(3)那么，根據頻域卷積定理如公式(4)所示，有(4)可以證明，采樣脈沖序列p(t)的頻譜是間隔為ωs的周期延拓，所以，可以進一步證明如公式(5)所示(5)此式表明，一個連續信號經過理想采樣以后，它的頻譜將沿著頻率軸每隔一個采樣頻率ωs,重復出現一次，即其頻譜產生了周期延拓，其幅值被采樣脈沖序列的傅里葉系數（Cn=1/Ts)所加權，其頻譜形狀不變。

2.3.2采樣定理

采樣定理說明了一個問題[4]，即當對時域模擬信號采樣時，應以多大的采樣周期（或稱采樣時間間隔）采樣，方不致丟失原始信號的信息，或者說，可由采樣信號無失真地恢復出原始信號。

(1)混疊現象

混疊現象又稱頻譜混疊效應，它是由于采樣信號頻譜發生變化，而出現高、低頻成分發生混淆的一種現象，如下圖所示。信號x(t)的傅里葉變換為X(ω)，其頻帶范圍為-ωm～ωm；采樣信號x(t)的傅里葉變換是一個周期譜圖，其周期為ωs，并且如公式(6)所示(6)Ts為時域采樣周期。當采樣周期Ts較小時，ωs＞2ωm，周期譜圖相互分離如圖5(b)所示；當Ts較大時，ωs＜2ωm，周期譜圖相互重疊，即譜圖之間高頻與低頻部分發生重疊，如圖5(c)所示，此即頻混現象，這將使信號復原時丟失原始信號中的高頻信息。x(t)X(ω)0t0ωx(t)X(ω)0t0ωx(t)X(ω)0t0ω

圖5周期譜圖相互分離與混疊下面從時域信號波形來看這種情況。如圖6(b)是頻率正確的情況，以及其復原信號；圖6(c)是采樣頻率過低的情況，復原的是一個虛假的低頻信號。當采樣信號的頻率低于被采樣信號的最高頻率時，采樣所得的信號中混入了虛假的低頻分量，這種現象叫做頻率混疊。(2)采樣定理

。。上述情況表明，如果ωs＞2ωm，就不發生混疊現象，因此對采樣脈沖序列的間隔Ts須加以限制，即采樣頻率ωs（2π／Ts）或fs(1／Ts）必須大于或等于信號x(t)中的最高頻率ωm的兩倍，即ωs＞2ωm，或fs＞2fm。

為了保證采樣后的信號能真實地保留原始模擬信號的信息，采樣信號的頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。(a)原始信號(b)采樣頻率正確(c)采樣頻率過低圖6時域信號波形需要注意的是，在對信號進行采樣時，滿足了采樣定理，只能保證不發生頻率混疊，保證對信號的頻譜作逆傅里葉變換時，可以完全變換為原時域采樣信號xs(t)；而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號x(t)。工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。2.4真空度測試原理光電陰極激活是將原子清潔的GaAs表面與Cs2O作用形成很低的表面逸出功。所謂原子清潔表面是指除發射體本身元素之外，表面雜質的含量是單原子層覆蓋的1％。根據氣體分子運動論而得知，在10-4Pa氣壓下，晶片表面形成單原子層吸附所需要的時間約1s。10-5Pa下約需要10s。而10-8Pa下就會延長到幾個小時以上。這樣才可有充分的時間使GaAs原子清潔表面得以保持。不然，Cs、O激活處理以前，周圍殘余氣體就已經以單原子層覆蓋GaAs表面，NEA就不能建立。故10-8Pa以上的超高真空度就成了光電陰極激活的首要條件。激活系統用B-A規作為超高真空計（由于B-A規的測量范圍是測量范圍：1×10-1~5×10-8Pa），并通過一法蘭將其安裝在真空室的中部上方，B-A規的電源線和信號線從法蘭盤用陶瓷接線柱引出。要測試真空度可以將B-A規測得的微弱真空度信號經過放大后再由A/D轉換得到（由于MAX197的測量精度是12位，而測量的真空度是10-8Pa左右的所以沒有超出MAX197的量程。所以不需要對真空計輸出的數據進行處理），這樣做相當于要重新設計一個具有通信功能的真空計，增加了研究工作量。因此對真空度的測試采用基于已有模擬式設備的信息采集方案，即在模擬設備上增加通信和數字化測試功能。測試原理方框圖如圖7所示。圖7真空度測試原理方框圖如圖所示，真空度信息采集電路得到真空計上顯示的真空度信息，通過CAN總線傳輸給USB-CAN總線轉換器，最后由USB接口輸入計算機。真空度測試是多信息量測控系統的一部分，考慮整個系統要同時實現多信息量的測試與控制，因此對真空度的測試方案利用現場總線（CAN總線）的技術和USB接口。現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使它們各自都具有了數字計算和數字通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成的網絡系統，并按公開、規范的通信協議，在位于現場的多個微機化測量控制設備之間以及現場儀表與遠程監控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統。這些特點非常符合整個系統所要實現分散儀器的多信息量測試和控制的要求。USB總線又稱為通用串行總線，有4種傳輸模式，適用于不同的通信任務，傳輸速度快，而且一般計算機都具有USB接口，但其可連接的設備數較少，通信距離短，而CAN總線又稱為控制器局域網總線，是一種工業測控用的現場總線，具有通信速度較快（最高到1Mbps），傳輸距離遠，抗干擾能力強，可連接設備數目多等許多優點，是一種在汽車、工業現場和智能建筑等許多領域得到廣泛應用的現場總線，但其不能直接與計算機相連，因此將USB總線與CAN總線結合起來，就能同時利用兩者的優點，實現更強大而靈活的通信任務。2.5銫氧源電流的測試原理銫源電流和氧源電流在銫氧激活過程中對銫氧量進行調節的時候就能在銫圖8銫源電流測試原理方框圖氧調節電源上顯示出來。銫源和氧源電流信號則可以采用帶數字輸出接口的程控電源直接得到，但要購買昂貴的數字程控電源，造成現有模擬式電源的浪費，增加成本。因此采用與真空度信息采集相同的方案，即在模擬設備上增加通信和數字化測試功能。以銫源電流測試為例，測試原理方框圖如圖8所示。激活實驗中銫源大小是通過銫源電源來調節的，銫源電流信息采集電路得到銫源電源上顯示的電流信號，通過CAN總線傳輸給USB-CAN總線轉換器，最后由USB接口輸入計算機。氧源電流測試原理與銫源電流測試相同。2.6光電流測試原理在測試光電流時先確定光源，光源波長的選擇取決于陰極的種類。對于負電子親和勢GaAs光電陰極，一般認為GaAs基片在未進行表面Cs處理前，溫度為0K時其禁帶寬度為1.55eV，電子親和勢1.55eV，即表面逸出功為3.1eV，如公式7所示：(7)式中λ為入射光波長，單位為米（m），h為普朗克常數，其值為6.63×10-34焦耳.秒（J.S），c為光速，值為3×108光電流測試原理方框圖如圖9所示。鹵鎢燈照射陰極面產生微弱光電流，光電流經微弱信號處理、放大經模數轉換后輸入計算機中。圖9光電流測試原理方框圖2.7CAN總線與USB轉換的原理USB—CAN通信轉換模塊是與USBl．1總線兼容的[5]，帶有2路CAN總線接口，可供選用其中之一或全部，支持連接2個不同通訊速率的CAN—BUS網絡。CAN通訊速率在5Kbit／s～1Mbit／s范圍內可編程。CAN通訊接口符DeviceNET和CANopen標準。支持CAN2．0B(兼容CAN2．0A協議)，符合IS0／ISll898國際標準。最高供電采用USB總線供電，由USB電纜向USB—CAN通信轉換模塊提供+5V電源。USB—CAN通信轉換模塊中自帶有光點隔離模塊，增強了系統在惡劣環境中使用的可靠性。使其工作溫度范圍達到：0℃～70℃。．USB—CAN通信轉換模塊體積小，支持即插即用。通過安裝驅動程序，可在win9x／Me、winNT4、win2000／XP操作系統中運行。轉換器的微控制器采用AT89C52，負責整個轉換器的監控任務以及CAN總線與USB總線的通信任務。CAN控制器接口電路由CAN通信控制器SJA1000和CAN收發器82C250組成，為了增加系統可靠性和抗干擾能力，也可在SJA1000和82C250之間增加光電耦合電路以及可在82C250與CAN總線間增加一個限流電阻[6]。而82C250驅動電路內部具有限流電路，可防止發送輸出級對電源、地或負載短路。雖然短路出現時功耗增加，但不至于使輸出級損壞。USB控制器接口電路由USB控制器CH372來實現其功能。CH372是一個USB總線的通用設備接口芯片，在本地端，CH372具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU等控制器的系統總線上；在計算機系統中，CH372的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的微控制器通信就如同讀寫文件。CH372內置了USB通信中的底層協議，具有內置固件模式和外置固件模式。在內置固件模式下，CH372自動處理默認端點0的所有事務，本地端單片機只要負責數據交換。在外置固件模式下，由外部單片機或者DSP/MCU根據需要自行處理各種USB請求，從而可以實現符合各種USB3硬件電路的模塊介紹3.1A/D器件的說明圖10MAX197芯片的引腳分布本文選用MAX197，它是Maxim公司出品的多量程、8通道的12位并行A/D轉換器。它是并行的A/D芯片，采用逐次逼近工作方式，內部的輸入跟蹤/保持電路把模擬信號轉換為12位數字量輸出，其并行輸出口很容易與單片機接口連接。MAX197芯片很適合于作為信號采集芯片[7]。MAX197芯片的引腳分布如圖10所示。引腳說明：CLK（1引腳）：時鐘輸入引腳。在外部時鐘模式下，輸入與TTL/COMS相匹配的時鐘脈沖。在內部時鐘模式下，在此引腳和地之間接一個電容以設置內部時鐘的頻率，此電容Cclk取典型值pF，內部時鐘頻率fclk為1.56MHz。/CS：（2引腳）：片選引腳，低電平有效。/WR：（3引腳）：當/CS為低電平時，如果工作在內部采集模式，/WR引腳的上升沿將鎖住數據，并發出一個采集脈沖；如果工作在外部采集模式，/WR引腳的第一個上升沿啟動一次采集，第二個上升沿結束采集并開始一次轉換。/RD（4引腳）：如果/CS為低電平，/RD的下降沿將使數據總線上的一次讀操作。HBEN(5引腳)：數據總線復用控制引腳，通過此輸入可實現12位轉換。當此引腳為高電平時，數據總線上可以通過復用得到高4位數據；當此引腳為低電平時，數據總線上只存在低8位數據。/SHDN(6引腳)：低功耗模式控制引腳，低電平有效，此時芯片進入低功耗工作狀態。D7~D4(7引腳)：三態數據I/O端口。D3/D11（11引腳）：三態數據I/O端口。當HBEN=0時，輸出為D3;當HBEN=1時，輸出為D11。D2/D10（12引腳）、D1/D9(13引腳)、D0/D8(14引腳)同D3/D11引腳。AGND（15引腳）：模擬地。CH0~CH7(16~23引腳)：8路模擬輸入通道。/INT（24引腳）：中斷輸出引腳，低電平有效。當轉換結束。輸出數據準備就緒時，此引腳變為低電平。REFADJ（25引腳）：帶隙電壓基準輸出/外部調節引腳。連接一個0.01μF旁路電容到模擬地。當在REF引腳上采用外部基準輸出電壓，可以在REFADJ引腳作外部調整；VDD（27引腳）：+5V電源，通過0.1μF電容旁路至地。DGND（28引腳）：數字地。單片機是本系統的核心器件，它通過對MAX197的設置，完成對整個A/D的轉換過程、方式的控制，最后讀取MAX197的寄存器，完成數據的傳輸。本論文選用Atmel公司的AT89C52作為單片機芯片，它滿足要求，而且極為常用，價格便宜，易于購買。3.3A/D轉換電路的介紹A/D轉換電路根據功能可劃分為三個部分：單片機控制模塊、電源模塊、A/D采集模塊[8]。單片機模塊如圖11所示，電源模塊如圖12所示，A/D模塊如圖13所示。圖11單片機控制模塊圖12電源模塊圖13A/D采集模塊U1為Atmel公司的單片機芯片AT89C52，其P1.0引腳和A/D轉換器芯片MAX197的中斷輸出引腳/INT相連，單片機通查詢此引腳的高低電平檢測是否完成一次A/D轉換；P1.1引腳和MAX197的HBEN引腳相連，單片機通過設置此引腳可以讀取12位數據的高低位；P2.0引腳的作用是通過反向器74LS04向MAX197芯片提供片選信號ADCS；/START為外部控制引腳，它通過觸發單片機的外部中斷0啟動A/D轉換；D0~D7為8位數據線，它們和MAX197芯片對應的數據位相連。U2為6輸入反向器，這里用到了其中一路，它的作用是對單片機P2.0引腳信號取反，從而提供給A/D芯片MAX197片選信號ADCS（低電平有效）。AGND是“模擬地”的網絡標號，AGND通過一個0Ω的電阻R3和“數字地”DGND連接，實際上在電路板的表角處，AGND應該和“數字地”連在一起，此處用0Ω的電阻只是為了考慮原理圖設計的方便。線性穩壓芯片MAX8875的型號是MAX8875EUK50-T，它為A/D轉換器芯片MAX197提供穩定的+5V電壓ADVCC[9]；電壓基準芯片MAX6192為A/D轉換器芯片MAX197提供穩定的+2.5V基準電壓REFVCC。MAX197工作與內部時鐘模式，其CLK引腳通過一個100pF的電容接地；讀/寫引腳/RD、/WR和單片機AT89C52的讀/寫引腳分別相連；HBEN引腳由單片機控制輸入，決定數據總線的復用方式，以得到12位轉換結果；MAX197選擇外部電壓基準，REFADJ引腳接電壓基準芯片產生的穩定的2.5V電壓REFVCC；本論文中8路模擬輸入通道只使用CH0，SIG_IN是模擬輸入信號。A/D轉換電路涉及模擬和數字信號，為保證最佳的性能，在印刷電路板設計時需要仔細考慮。為了減少串話和噪聲，應該讓模擬信號與數字信號分開，盡量讓數字地線處于數字信號線之間，“模擬地”和“數字地”作分割處理，最終在電路板的邊角處相連。為了較少高、低頻的起伏噪聲，應該將VDD和REFVCC通過0.1μF和4.7μF電容并聯旁路到AGND，如圖中的電容C7、C8、C9、和C10。3.4多信息量測試硬件電路設計真空度的測量其實是把B-A規真空計測得的數據，通過單片機控制的A/D芯片將模擬量轉換成數字量即可。電路原理圖如圖14所示。單片機芯片AT89C52的P1.0引腳和A/D轉換器芯片MAX197的中斷輸出引腳/INT相連，單片機通查詢此引腳的高低電平檢測是否完成一次A/D轉換；P1.1引腳和MAX197的HBEN引腳相連，單片機通過設置此引腳可以讀取12位數據的高低位；P2.0引腳的作用是通過反向器向MAX197芯片提供片選信號ADCS；/START為外部控制引腳，它通過觸發單片機的外部中斷0啟動A/D轉換；D0~D7為8位數據線，它們和MAX197芯片對應的數據位相連。B-A規傳送過來的數據從MAX197的16管腳CH0輸入[10]。銫氧源電流的采集電路和采集真空度的電路基本相同，對于光電流的采集需要在傳感器輸出端需要連接一個微弱信號放大器即可。將微弱信號放大器的輸出接MAX197。圖14真空度測試電路原理圖銫氧源電流的采集電路的電路圖如圖15所示：圖15銫氧源測試電路原理圖銫氧源大小是通過銫氧源電源來調節。銫氧源電流從MAX197的16管腳輸入。光電流采集電路的電路圖如圖16所示：圖16光電流測試電流原理圖3.5USB—CAN通信轉換模塊的硬件設計CAN總線為多主的方式工作，網絡上任一個節點均可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節點信息。USB(UniversalSerialBus，通用串行總線)是用于將適用USB的外圍設備連接到主機的外部總線結構，USB同時又是一種通信協議[11]，它支持主系統(host)和USB的外圍設備(device)之間的數據傳輸。它是由單片機、CAN控制芯片、CAN驅動芯片、USB接口轉換芯片組成的一個單片機系統。系統具有兩個對外的CAN接口和一個USB接口[12]。其中SJAl000為CAN控制器，單片機對其進行正確的初始化后，通過訪問其內部寄存器實現對CAN的操作。SJAl000可以完成CAN的物理層和數據鏈路層的所有協議功能，它和光電隔離電路以及CAN驅動器82C250構成了與CAN相連的通道。SJAl000的內部集成了地址鎖存器，其數據地址總線可以直接與51系列單片機的P0口相連。在系統中設計了兩組CAN接口，可以連接不同的CAN網絡。P2端口的任兩位可作為CAN控制器SJAl000的片選線。單片機的中斷0(INT0)、中斷1(INTl)分別連至兩個CAN控制器SJA1000的中斷位。這樣，單片機就可采用中斷方式實現與SJAl000的報文交換。單片機采用AT89C51，該單片機內部集成有4K的程序存儲器，不必再通過地址鎖存芯片擴展程序存儲器，從而減小了轉換模塊的體積。89C51單片機本身集成有通用串行通信接口，具有4種工作方式，其中兩種可用于可變波特率的串行通信，分別對應有無奇偶校驗位的8位數據傳輸。由于89C51單片機的串行通信接口的輸入、輸出電平與USB接口的標準電平不一致，中間須通過USB轉換芯片，CH372。USB—CAN通信轉換模塊的硬件結構如圖17所示。圖17USB—CAN通信轉換模塊的硬件電路圖3.6CH372的介紹CH372是一種USB總線的通用設備接口芯片。與其他的USB接口芯片相比，該芯片具有接口設計簡單，編程使用方便等優點。CH372具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可方便地掛接到單片機或DSP等控制器的系統總線上。在計算機系統中，CH372的配套軟件提供了簡潔、易用的操作接口，與本地端的單片機通信如同讀/寫文件一樣。CH372內置了USB通信中的底層協議[13]，具有內置固件模式和外置固件模式。在內置固件模式下，CH372自動處理默認端點0的所有事務，完成標準的USB枚舉配置過程，而本地單片機只負責數據交換。在外置固件模式下，由外部單片機或DSP根據需要自行處理各種USB請求，從而可以實現符合各種USB類規范的設備。CH372提供了一對主端點和一對輔助端點，支持控制傳輸、批量和中斷傳輸。通用Windows驅動程序提供設備級接口，通過DLL提供API應用層接口。CH372的引腳分布圖如圖18所示引腳說明：VCC(20引腳):正電源輸入端，需要外接0.1uF電源退耦電容。GND(18引腳):公共接地端，需要連接USB總線的地線。V3(5引腳):在3.3V電源電壓時連接VCC輸入外部電源，在5V電源電壓時外接容量為0.01uF退耦電容。XI(8引腳):晶體振蕩的輸入端，需要外接晶體及振蕩電容。XO(9引腳):晶體振蕩的反相輸出端，需要外接晶體及振蕩電容。圖18CH372的引腳分布圖UD+(6引腳):USB總線的D+數據線，內置可控的上拉電阻。UD-(7引腳):USB總線的D-數據線。D7～D0(17～10引腳):8位雙向數據總線，內置上拉電阻。RD#(3引腳):讀選通輸入，低電平有效，內置上拉電阻。WR#(2引腳):寫選通輸入，低電平有效，內置上拉電阻。CS#(19引腳):片選控制輸入，低電平有效，內置上拉電阻。INT#(1引腳):中斷請求輸出，低電平有效。A0(4引腳):地址線輸入，區分命令口與數據口，內置上拉電阻，當A0=1時可以寫命令，當A0=0時可以讀寫數據。4硬件電路設計的注意事項4.1USB-CAN轉換電路設計為了提高USB-CAN轉換器的可靠性和抗干擾能力[14]，可在SJA1000和89C250之間增加光電耦合電路，具體電路如下圖19所示。從而隔離外接設備帶來的干擾。同時，為了提高CH372的穩定性，在設計印制電路板（PCB）時，要特別注意CH372外圍元件的布線。CH372時鐘信號不穩定通常與PCB布線中GND走線不佳有關，應盡量避免電源、晶振和USB等接地點之間存在電壓差，盡量縮短這些接地點之間的距離，或采用單點接地。為了減少對時鐘信號的干擾，PCB設計時盡量不在晶振以及振蕩電容附近走線，尤其是不要走繼電器、電動機等帶有瞬時沖擊電源線和強信號線；在晶振以及振蕩電容周邊布置GND鋪銅屏蔽干擾；可以將晶體外殼接地（人手碰到外殼會引入干擾）；或者使用有源晶振等。為了減少對USB信號的干擾，USB信號線D+和D-平行布線，最好在兩側布置GND鋪銅，以減少干擾。圖19CAN總線系統智能節點硬件電路4.2A/D轉換器芯片選取為了采集準確真空度、色氧源電流、光電流。需要選擇好A/D轉換器[15]，本設計用的A/D轉換器是MAX197。在選擇A/D轉換器時需要考慮的的主要參數有：(1)分辨率：是指A/D轉換器能夠轉換的二進制數的位數，位數多分辨率也就越高。(2)轉換時間：指數字量輸入到完成轉換，輸出達到最終值并穩定為止所需的時間。電流型A/D轉換較快，一般在幾ns到幾百ns之間。電壓型d/a轉換較慢，取決于運算放大器的響應時間。(3)精度：指A/D轉換器實際輸出電壓與理論值之間的誤差，一般采用數字量的最低有效位作為衡量單位。本設計用的MAX197具有12位測量精度的高速A/D轉換芯片，對于測量真空度、銫氧源電流可以直接進行A/D轉換。而光電流需要用到微弱信號放大器。因此該芯片滿足該設計的需要。且轉換時間很短(6ms)，具有8路輸入通道，還提供了標準的并行接口——8位三態數據I/O口，可以和大部分單片機直接接口，使用十分方便。4.3電源選取任何硬件設備的正常運行都離不開系統的供電，電源電路在系統設計時往往需要單獨加以考慮，它有可能成為影響系統性能甚至運行的關鍵因素。單片機的A/D轉換器對于電源的要求遠高于其他數字電路對電源的要求。這是因為在A/D轉換電路中[16]，電源除了需要提供單片機的供電電壓以外，還需要完成對A/D轉換器芯片的供電以及提供A/D轉換器的電壓基準。所以對于A/D轉換電路而言，需要著重進行有關的電源設計。本文采用了Maxim公司生產的一款低電壓差線性穩壓芯片MAX8875。引腳電路如圖20所示：圖20MAX8875引腳分布圖MAX8875是Maxim公司生產的一款低電壓壓差線性芯片，當輸出電壓超出穩壓范圍時產生報警信號；輸出端只需要1μF的小陶瓷電容，就可以確保負載高達150mA電流的穩定性；而且具有過熱和短路保護；電池反接保護等特點。因此該設計采用了MAX8875芯片。結束語以CAN總線為研究對象，研究了基于CAN總線的多信息量采集系統。其主要包括：A/D轉換，單片機控制，電源模塊，USB-CAN轉換模塊。主要完成了以下幾個方面的內容：基于CAN總線的多信息量采集系統的結構方案，系統硬件采集電路和軟件系統。本設計實現了對真空度，銫氧源電流，光電流的采集，并通