趙永剛 ，張國義 ，劉曉霏 ，薛紅前

（1.西北工業(yè)大學 機電學院，陜西 西安 710072；2.首都航天機械公司，北京 100076）

目前，大型飛行器殼體運輸貯存設計一般不考慮殼體柔性，但是大型火箭殼體、某些有超薄機翼的結構、特別是有大型薄壁結構的大部件則必須考慮結構體柔性，這就要求解決一系列問題，例如承載型架的效能（載荷分配、行程、效率、過載、滯后系數(shù)等）受到的影響、殼體儲存能量的耗散效率等問題等。因而，研究大型殼體結構在運輸貯存過程可能出現(xiàn)的問題并尋求解決這些問題的可行方案就具有非常重要的工程應用價值，而獲得結構監(jiān)測數(shù)據(jù)則是相關研究的前提和驗證措施有效性的保證手段，采用基于CAN總線的分布式在線測量系統(tǒng)定期檢測是獲取大型殼體運輸貯存過程中變形及應變數(shù)據(jù)的有效手段[1－2]。

現(xiàn)代結構監(jiān)測技術對于結構損傷檢測、損傷定位、載荷檢測、結構損傷自動修復、結構剩余壽命預測等成為主要的支撐技術[3－4]，本文采用基于 CAN總線的傳輸采集系統(tǒng)在保障大型飛行器殼體結構監(jiān)測方面起著關鍵作用。

1 基于DSP的數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計

本文設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，利用現(xiàn)代工業(yè)控制和網(wǎng)絡技術，通過對多個分散在大型殼體結構上的傳感器信號進行實時測量、傳輸控制及遠程顯示等，可以及時掌握大型殼體結構各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而保證結構的安全可靠。

系統(tǒng)由CAN控制器芯片、DSP和PC機組成，即由CAN總線通信模塊、電壓采集和處理電路、中央控制單元三部分組成，并通過USB總線與上位機之間進行通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過節(jié)點結構的區(qū)別可分為兩種模式：一種模式為傳統(tǒng)模式，即系統(tǒng)的各個節(jié)點都采用CPU加控制器方式來實現(xiàn)，節(jié)點間的結構都一樣，都可以對整個網(wǎng)絡進行檢測和控制，無主節(jié)點和從節(jié)點的區(qū)分；另一種模式則采用主節(jié)點和從節(jié)點的結構，主節(jié)點采用CPU加控制器結構來檢測和控制整個節(jié)點，從節(jié)點則利用CAN總線I/O擴展器來實現(xiàn)采集和控制現(xiàn)場信號。顯然，分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應著重選擇抗干擾能力強、性能穩(wěn)定的系統(tǒng)方式和結構元器件。研究表明，TI公司DSP器件TMS320VC5416的數(shù)據(jù)處理能力明顯優(yōu)于51系列器件，因此，系統(tǒng)的PC-CAN接口卡及各從節(jié)點采用MCP2510CAN控制器和DSP器件TMS320VC5416是可行的。

1.1 A/D采樣電路與DSP的接口設計

鑒于TI公司的串行芯片應用廣泛，本文設計采用其串行A/D采樣芯片?？紤]到TMS320VC5416芯片的三個McBSP接口可以方便地與SPI器件相連[5]，采用了 TI公司生產的具有SPI串行接口的 TLC2574。TLC2574支持連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，通過SPI串口與TMS320VC5416實現(xiàn)無縫對接。

TLC2574 有四種轉換模式 （模式 00，01，10，11），根據(jù)轉換器如何采樣和采用哪一個主機接口選擇相應的模式。TLC2574以DSP的同步時間脈沖為基準發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在單次模式下首先通過命令寄存器選擇某通道，才能對該通道進行A/D轉換。因為命令存儲器為4位存儲器，所以完成一次A/D轉換需要30個SCLK（同步時鐘周期），其中包括存儲器需要SCLK 4個，采樣需要SCLK 12個，模擬量轉換需要SCLK 14個。需要指出的是，TMS320VC5416的McBSP接口設置十分重要，保證該接口在SPI模式下的時序與TLC2574相對應，才能使TMS320VC5416正常工作。

通過上面對TMS320VC5416同步串行口及TLC2574外接信號的特點分析可以看出，利用兩者可以進行無縫對接的優(yōu)點，通過TMS320VC5416的同步時鐘信號作用來實現(xiàn)A/D轉換數(shù)據(jù)的傳輸。圖1是TMS320VC5416同步串行口與TLC2574連接圖。

圖1 TMS320VC5416與TLC2574的接口電路設計

考慮到充分利用TMS320VC5416的McBSP口的強大功能，設計采用TI公司的TLC2574芯片支持串行數(shù)據(jù)接收，一方面可以完美連接TMS320VC5416，支持連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，另一方面因為該芯片有5 V模擬供電和3.3 V數(shù)字供電方式可供選擇，符合TMS320VC5416的3.3 V信號環(huán)境，可以與TMS320VC5416無縫對接，而不會出現(xiàn)其他芯片電平不匹配的問題，從而降低電路復雜程度和制造成本。

1.2 MCP2510 CAN控制器與DSP的連接

本設計的CAN控制器采用Microchip公司生產的MCP2510[6]。它支持被動和主動模式的CAN1.2、CAN2.0 A/B協(xié)議，MCP2510可以接收和傳輸CAN標準幀和CAN擴展幀，并實現(xiàn)消息管理和接收過濾器功能。它有3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器，這樣可以降低處理器對消息管理的需要。通過TMS320VC5416的McBSP接口與MCP2510的SPI接口通信，其最高數(shù)據(jù)率可達1 Mb/s，已被廣泛應用在交通及環(huán)境控制、醫(yī)療儀器、工業(yè)自動化等領域。

CAN控制器的總體特點：兼容CAN V2.0A/B協(xié)議，支持0～8個字節(jié)可變長度消息；能處理CAN標準幀和CAN擴展幀，速度可編程并且支持遠程幀；帶有屏蔽接收過濾器和3個發(fā)送緩沖器以及2個接收緩沖器；并有6個接收過濾器；其中發(fā)送緩沖器有優(yōu)先發(fā)送和退出的功能，接收緩沖器具有優(yōu)先消息存儲功能。

從節(jié)點結構如圖2所示，其硬件有高速SPI接口，可以選擇是否使能的中斷輸出腳，同時帶有可編程預分頻器的時鐘輸出；接收緩沖滿輸出腳有兩種配置方式，分別為配置為通用的數(shù)據(jù)輸出腳或者配置為接收緩沖器滿中斷輸出；并可選擇請求發(fā)送的輸入腳來作為通用數(shù)據(jù)輸出腳，或選擇作為請求發(fā)送緩沖器立即啟用消息發(fā)送的控制腳；有休眠模式，可降低能耗，低能耗CMOS技術操作電壓在3.0 V～5.5 V；休眠模式下典型電流從正常運行時的 5 mA變?yōu)?10 μA。

圖2 從節(jié)點結構

1.3 CAN總線通信電路

圖3為CAN的節(jié)點通信部分電路。CAN控制器用SPI接口與TMS320VC5416相連接。TMS320VC5416具有主同步串行口，經過配置作為SPI接口的輸入口，可以實現(xiàn)最高速度1 Mb/s的SPI串口通信。在使MCP2510的片選腳置低電平的前提下，在時鐘SCK上升沿，通過SI引腳把數(shù)據(jù)或命令送到MCP2510，同時MCP2510能夠在SCK下降沿通過SO引腳送出數(shù)據(jù)。

TMS320VC5416的中斷輸入腳連接MCP2510中斷輸出腳INT。由于MCP2510本身并沒有總線驅動能力，所以另外需要82C250這種CAN驅動器把輸出的CAN消息發(fā)送到總線上去。

圖3 CAN通信電路

CAN驅動器82C250主要特性是：對ISO/DIS 11891標準完全兼容；抗瞬間干擾能力強，通過斜率控制可有效降低射頻干擾，可有效保護總線；能有效降低電池與地之間短路的可能；抗熱能力強；低電流待機方式；最高速率可達1 Mb/s；支持最大110個節(jié)點，任一節(jié)點的掉電不會對總線產生影響。

選用Philips生產的PCA82C250作為CAN接口芯片。斜率控制模式通過在82C250芯片的RS腳和地之間接上30 kΩ電阻實現(xiàn)。

2 PC－CAN接口卡設計及網(wǎng)絡拓撲

2.1 PC－CAN 接口卡

通過設計PC－CAN接口卡可以完成從節(jié)點與上位機之間的數(shù)據(jù)交換，解決了PC機無法和CAN總線直接通信的問題。接口卡可以雙向轉換CAN總線不同波特率和上位機的USB串口波特率，轉換上位機的USB串口與CAN總線間的電平；雙向轉換CAN總線上的數(shù)據(jù)包和上位機的USB串口比特流，數(shù)據(jù)包每幀為8 B；可以CRC檢驗傳送的數(shù)據(jù)，并對錯誤的數(shù)據(jù)重新發(fā)送。

接口卡的設計要求是硬件構成簡單、工作可靠、性能穩(wěn)定，同時USB串口和CAN總線的通信功能在設計中亦必不可少，在較多從節(jié)點下運算速度應滿足需要。

此外，系統(tǒng)A/D采樣率高，為此接口需要有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，才能實時傳輸采集信號和DSP處理結果。選用Cypress公司的 CY7C68013－56PVC作為接口芯片，該芯片的USB2.0高速接口具有即插即用、便攜移動的優(yōu)點。其 3.3 V的電源與 DSP要求吻合，能夠直連TMS320VC5416接口。其片上帶有的2K×16 bit的 FIFO，通過 SLAVEFIFO，模式下的AUTO－IN/OUT方式可以方便地傳輸數(shù)據(jù)和控制命令。

PC－CAN接口卡主節(jié)點系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 接口卡主節(jié)點系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)連接方案

分布式測量系統(tǒng)連接方案如圖5所示。主機通過USB接口對主節(jié)點進行通信和控制，主節(jié)點通過CAN網(wǎng)絡 與 從節(jié)點 1、2、3、4、…相連。

圖5 分布式測量系統(tǒng)連接圖

3 PC－CAN 接 口卡軟件設計

為了監(jiān)測和處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，需要利用上位機軟件來監(jiān)測和控制整個CAN系統(tǒng)。實現(xiàn)上位機與從節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)和控制。

在上位機與PCCAN接口卡之間傳遞消息時，發(fā)送方的PC－CAN接口卡軟件需要在每一幀數(shù)據(jù)的后面附加校驗和字節(jié)。實現(xiàn)方法是PC－CAN接口卡軟件對其每一幀內的載荷數(shù)據(jù)逐字節(jié)相加取和，然后再將總和值的低8位作為校驗和的標志值字節(jié)隨載荷數(shù)據(jù)一起發(fā)送。接收方在接收到數(shù)據(jù)幀后需要對載荷數(shù)據(jù)每一個字節(jié)相加取和，再將取和的結果與接收到的校驗和值進行對比。當出現(xiàn)干擾產生誤碼時，那么兩個校驗和值不相等，即判斷舍棄該幀。若校驗和值相等則說明接收載荷數(shù)據(jù)正確。采取校驗和的方法可以大為減少誤碼出現(xiàn)的機會（顯然其并不能夠保證數(shù)據(jù)的傳送成功和絕對正確）。PC－CAN接口卡的軟件整體流程如圖6所示。

圖6 PC－CAN接口卡軟件流程圖

在介紹CAN總線和分布式數(shù)據(jù)采集后，闡述了本文方案所開發(fā)的基于CAN總線的分布式測量系統(tǒng)，系統(tǒng)各節(jié)點以TMS320VC5416為核心，各節(jié)點間以CAN總線連接通信，能夠搭配不同的傳感器進行各種參數(shù)的測量。最后系統(tǒng)實現(xiàn)的指標為：最多容納100個節(jié)點；CAN總線速率32 kb/s；每個從節(jié)點支持4路模擬采集通道；每個從節(jié)點支持8路開關量輸出。

[1]張崇巍，付河，朱敏.電動叉車CAN總線控制系統(tǒng)中人機交互節(jié)點設計[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2000，23（1）：81-85.

[2]朱敏，張崇巍，謝震.CAN總線在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中的應用[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2002，25（3）：345-349.

[3]HOUSNER G W， BERGMAN L A， CAUGHEYT K.Structural control： past， present， and future[J].Journal of Engineering Mechanics， ASCE， 2003，123（9）.

[4]FUJUNO Y， ABE M.Structural Health Monitoring in civil infrastructures Research Activities at the Bridge and Structure[J].Laboratory of the University of Tokyo.Structural Healthy Monitoring and Intelligent Infrastructure，2003，11，Tokyo， Japan.

[5]任治剛，孫洪波，張澤.TMS320C54x系列 McBSP串口特性及其應用[J].內蒙古大學學報（自然科學版），2001（3）：336-339.

[6]Microchip Technology Inc.MCP2510 Data Sheet[Z].2002.