楊　陽

（北京機電工程研究所，北京　100074）

基于微處理器的多點電流信號采集及優(yōu)化設(shè)計

楊陽

（北京機電工程研究所，北京100074）

自動化設(shè)備的廣泛應(yīng)用是工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志之一，隨著應(yīng)用環(huán)境的逐步復(fù)雜和應(yīng)用需求的不斷提升，實現(xiàn)可靠的多測點信號采集具有重要意義；針對自動化設(shè)備多點信號采集的實際需求，設(shè)計了基于CAN總線（CANopen協(xié)議）的分布式控制系統(tǒng)；使用ATmega16單片機實現(xiàn)了多測點的4～20 m A電流信號采集的軟硬件設(shè)計，并根據(jù)工作應(yīng)用的實際需求，從軟件與硬件兩方面提出了更加具體的優(yōu)化方法以提升系統(tǒng)性能；最后，利用搭建的實驗平臺，進行整體系統(tǒng)的精度實驗，并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與分析；實驗證明該系統(tǒng)能夠進行可靠穩(wěn)定的多測點數(shù)據(jù)采集，具有一定的應(yīng)用參考價值。

多測點；電流信號采集；CAN通信；優(yōu)化設(shè)計

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，工業(yè)自動化程度的不斷提升，越來越多的自動化設(shè)備與自動化生產(chǎn)線逐步代替人類手工作業(yè)，極大的提升了生產(chǎn)效率。在此過程中，各類儀器儀表代替人類自身感知，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的認知與監(jiān)測。同時，由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性不斷增加，單一系統(tǒng)內(nèi)使用的儀器儀表的種類與數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢，致力于研究性能可靠的多測點信號采集的自動化系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義［1］。

1　測量系統(tǒng)構(gòu)成

本文展開了基于微處理器的多點電流信號采集及優(yōu)化設(shè)計研究。搭建實驗平臺，分別從軟件、硬件兩方面對系統(tǒng)整體性能進行優(yōu)化，最終通過實驗驗證其功能。

由于一般測試環(huán)境涉及到對多測點信號采集及遠程傳輸，本文選定了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及CAN現(xiàn)場總線，由此得到了基于CAN總線的多點測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由主控計算機、CAN總線接口卡以及掛接在CAN現(xiàn)場總線上的若干控制器等現(xiàn)場設(shè)備組成。其中主控計算機和CAN總線接口卡之間采用PCI總線連接，每個節(jié)點的控制系統(tǒng)也通過CAN接口電路連接到CAN總線。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

基于CAN總線，該測量系統(tǒng)采用CANopen作為整個系統(tǒng)的通信協(xié)議。CANopen為基于CAN的高層協(xié)議，是最初由BOSCH公司提出的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。其具有可靠性高、抗干擾性強、開發(fā)簡單、造價低廉及其短幀傳輸和無破壞仲裁技術(shù)等特點，應(yīng)用極為廣泛。CANopen是一個基于CAL的子協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O(shè)計，具有很好的模塊化特性和很高的適應(yīng)性，通過擴展可以適用于大量的應(yīng)用領(lǐng)域［2］。

1.1系統(tǒng)硬件組成

1.1.1工業(yè)控制機

主控計算機不僅要求運算速度快，以滿足機器人運動控制的實時性，而且由于工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，要求其具有較強的抗干擾能力，其次作為主控設(shè)備，需要具有高穩(wěn)定性和可靠性。因此本文選擇研華工控機IPC作為主控計算機。其具有嚴密的防電磁輻射屏蔽，選材上采用工業(yè)級零組件確保機器長時間無故障和穩(wěn)定運行，支持冗余電源，能在主電源故障的同時切換到備用電源，提高了系統(tǒng)安全性。具體參數(shù)為：處理器為Intel奔騰4，主頻2.8 GHz，內(nèi)存DDR 1 GB，Intel845GV芯片組，板載高性能VGA控制器；通用14槽無源底板4個PCI插槽、8個ISA插槽、帶PFC（功率因數(shù)補償）電源的高效300WATX，并支持單PS/2電源或冗余電源（通過更換電源托架）；帶有兩個高CFM風(fēng)扇的先進冷卻系統(tǒng)能夠提供充足的氣流來冷卻系統(tǒng)的主要部件。此外，前端接線的USB和PS/2鍵盤I/O接口可以連接各種外部設(shè)備，以便進行數(shù)據(jù)傳輸、備份和輸入。

1.1.2CAN主站通信卡

PCI-50XX系列工業(yè)級CAN接口卡是符合工業(yè)級溫度范圍（-25℃～+85℃）、兼容PCI2.2規(guī)范的PCI-CAN通訊接口卡。支持32位33 MHz PCI局部總線，采用了通用PCI連接器，能讓PC方便地連接到CAN總線上。本文選擇了PCI-5010-P工業(yè)級CAN接口卡提供1路CAN通道，支持CANopen協(xié)議，在應(yīng)用中更顯方便和靈活。同時，其支持1 Mbps的高傳輸速率，且集成2 500 V DC電氣隔離保護，保護計算機避免地環(huán)流的影響，增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

1.1.3CAN從站通信卡

XGate-COP10是一款CANopen從站協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部集成了CANopen從站協(xié)議棧，遵循CiA DS301 V4.02進行設(shè)計，其集成的功能包括了網(wǎng)絡(luò)管理（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)（SDO）、過程數(shù)據(jù)（PDO）、錯誤管理等功能。同時也遵循了DS303-3指示燈以及DS305層設(shè)置（LSS）等相關(guān)協(xié)議，使模塊功能更強大。所有的功能均通過Ci A的一致性測試軟件的測試，保證了與其它CANopen設(shè)備的良好的兼容性。

1.1.4ATmega16L單片機

為了實現(xiàn)模擬電流信號的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換，本文使用了AVR單片機進行設(shè)計?？紤]到功能需求與設(shè)計成本，本文使用ATmega16L單片機進行硬件開發(fā)，其具有16 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1 K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。本文利用其內(nèi)部的10位精度AD轉(zhuǎn)換器對電流信號進行采集，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后通過RS232串口協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至XGate-COP10從站通信卡，轉(zhuǎn)換為CANopen協(xié)議格式后與工控機進行通信。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示。

1.1.5傳感器

根據(jù)不同的工業(yè)現(xiàn)場，傳感器的類型也是多種多樣。本文基于實驗需要，使用泰儀電子4～20 m A數(shù)字式程控校正器，其可以產(chǎn)生定量電流信號。誤差為±0.025%±5μA，用以對系統(tǒng)電流信號進行標定與驗證。

1.2系統(tǒng)軟件組成

圖2　數(shù)據(jù)傳輸過程

根據(jù)多測點電流信號采集系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，軟件設(shè)計編寫主要分為上位機遠程實時測量系統(tǒng)控制面板，用以顯示不同測量點傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。下位機部分為基于AT-mega16L的嵌入式軟件編程，主要實現(xiàn)的功能是對4～20 m A的模擬電流信號進行數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)化。最后便是針對于上位機與下位機通訊協(xié)議的設(shè)計與使用。

本文采用研華工控機提供Windows操作平臺，使用Microsoft Visual Studio C++建立MFC程序，用以顯示不同采集點傳感器的數(shù)據(jù)顯示，本文設(shè)計的控制面板可以對多達58點的電流傳感器信號進行采集與顯示，同時可以對電流測量的范圍進行設(shè)置，若測量值超限可以進行報警顯示。為了方便人員操作，預(yù)先設(shè)置了不同種類的測量方案，如奇數(shù)點測量、偶數(shù)點測量、自定義測量等。

下位機部分使用ICCAVR軟件編程環(huán)境對程序進行編寫，AVRStudio對程序進行下載。程序設(shè)計流程如圖3所示。首先，上位機發(fā)出的指令通過CAN通信系統(tǒng)傳輸?shù)较挛粰C。接到指令后XGATE-COP10芯片的標志位Preflag置低，說明此時下位機收到上位機所接受指令。將Preflag與單片機外部中斷引腳相連，并且設(shè)置單片機外部中斷為下降沿觸發(fā)，此時程序進入單片機的外部中斷Int0中。關(guān)閉Int0中斷使能，將Preflag的標志位置0，同時開啟串口的接受使能，對來自于上位機的指令進行數(shù)據(jù)讀取。本文使用的7字節(jié)的數(shù)據(jù)協(xié)議，例如：0x7e，0x11，0x02，0x11，0x00，0x01，0x7d。其中0x7e為起始標志位，中間五位為自定義數(shù)據(jù)位，0x7d為CRC數(shù)據(jù)校驗位，用于驗證數(shù)據(jù)接收的正確性。當(dāng)count等于7的時候，串口接受中斷使能關(guān)閉，對接收到的數(shù)據(jù)進行CRC校驗，通過校驗的數(shù)據(jù)根據(jù)自定義協(xié)議進行下一步操作，若未通過校驗則清空數(shù)組重新開啟Int0外部中斷使能，等待接受新的數(shù)據(jù)。

下位機處理器除了實現(xiàn)與上位機的通信功能，還具備對模擬信號進行數(shù)字化處理過程。ATmega16L單片機使用ADC通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個10位的數(shù)字量。下位機處理器通過軟件編程將10位數(shù)字量轉(zhuǎn)化為4～20 m A數(shù)字量，精度為0.1 m A。協(xié)議中設(shè)定將整數(shù)部分與小數(shù)部分分開傳輸占用7字節(jié)協(xié)議的兩個字節(jié)。例如：0x7e，0x11，0x02，0x11，0x04，0x01，0x79，表示現(xiàn)在所讀取到的電流信號為4.1 m A。

上位機與下位機的通訊使用CANopen協(xié)議，其核心部分是對象字典（Object Dictionary），通過對象字典對設(shè)備功能進行描述。CANopen對象字典是一個有序的對象組，每個對象采用一個16位的索引來尋址，其范圍在0x1000～0x9FFF之間。為了允許訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個元素，定義了一個8 bit的子索引［3］。

圖3　下位機程序結(jié)構(gòu)

在CANopen協(xié)議中主要定義了管理報文對象NMT（Network Management）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO（Service Data Object）、過程數(shù)據(jù)對象PDO（Process Data Object）、預(yù)定義報文或特殊功能對象等4種對象。其中通過NMT服務(wù)，可以對節(jié)點進行初始化、運行、監(jiān)控、復(fù)位和停止。SDO主要用于主節(jié)點對從節(jié)點的參數(shù)配置，PDO用來傳輸實時數(shù)據(jù)。以上位機通過CANopen協(xié)議給末端擰緊裝置發(fā)送數(shù)據(jù)為例，其程序流程如下：首先上位機通過CANopen協(xié)議將0x32（示例數(shù)據(jù)）傳送給XGate-COP10的RPDO1，此時，0x32保存在XGate-COP10的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)#0號位置。同時，MCU通過串口實時地先后向XGate-COP10發(fā)送0x7e，0x11，0x02，0x11，0x00，0x01，0x7d。XGate-COP10接到命令后便通過串口回應(yīng)MCU，先后發(fā)送0x7e，0x11，0x09，0x11，0x00，0x32，0x XX（校驗碼）。其中，0x32就是所需數(shù)據(jù)。

2　測量系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)搭建完成后，本文采用了不同的方法對系統(tǒng)的性能進行優(yōu)化，保證其穩(wěn)定性，提高精確度。下面分別從硬件、軟件兩方面進行描述。

2.1硬件優(yōu)化

設(shè)計預(yù)處理電路，提高AD利用率：

常用的4～20 m A電流信號采集電路為通過250Ω高精度采樣電阻將其轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓信號，ATmega16L單片機的輸入電壓端進行信號的輸入，而后再進行模擬信號的數(shù)字化。此種方案雖然簡單易行，但是存在一定的不足。首先，AT-mega16單片機內(nèi)置10位精度的ADC，管腳輸入的電壓范圍為0～5 V。如果電壓信號輸入量程為1～5 V，則AD的利用率下降。其次，采樣過程中噪聲問題無法解決，無法排除由于外部噪聲所帶來的干擾降低采樣的精度。為了提高單片機AD利用率，同時提高系統(tǒng)抗干擾的特性，本文使用RCV420芯片進行電流信號采集的預(yù)處理電路設(shè)計。該電路由精密運算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)和10 V的基準電源網(wǎng)絡(luò)組成。其應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4　RCV420應(yīng)用電路

2.2軟件優(yōu)化

1）數(shù)字濾波的選擇：

單片機對模擬信號進行采樣時，電源噪聲，電磁干擾，外部噪聲等都會對其進行疊加干擾，所以使用單片機進行數(shù)據(jù)采樣時都會進行數(shù)據(jù)采集濾波，常用的濾波方法有以下4種：（1）限幅濾波：兩次采樣之差小于最大偏差值則有效，反之使用前一數(shù)值代替本次數(shù)值（2）中值濾波：連續(xù)取奇數(shù)次數(shù)值，取中間值為采樣數(shù)值（3）加權(quán)平均濾波：連續(xù)多次采樣后乘以不同的加權(quán)系數(shù)，以加權(quán)平均值為當(dāng)前數(shù)值（4）滑動平均濾波：連續(xù)采樣多個數(shù)值作為隊列，將新數(shù)值作為隊尾，去掉隊首后取平均數(shù)值作為當(dāng)前值［4］?？紤]到本文所述工作現(xiàn)場工況，采用10 ms的采樣頻率，對連續(xù)N個數(shù)值進行均值化處理，實驗結(jié)果證明采用滑動平均濾波可以得到更好的測量效果。

int filter（）

｛

int count；

int filter_sum=0；

value_buf［N］=mega16_ad（）；

for（count=0；count＜N；count++）

value_buf［count］=value_buf［count+1］；

filter_sum+=filter_buf［count］；

return（int）（filter_sum/N）；

｝

2）看門狗設(shè)置：

看門狗是指在系統(tǒng)設(shè)計中通過軟件或硬件方式在一定的周期內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況。如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到來自系統(tǒng)的觸發(fā)信號，則系統(tǒng)會強制復(fù)位，以保證系統(tǒng)在受到干擾時仍然能夠維持正常的工作狀態(tài)。本文中為了防止系統(tǒng)因為錯誤進入死循環(huán)，并且保證系統(tǒng)在非工作狀態(tài)下自動掛起以減少片內(nèi)資源浪費，在程序當(dāng)中增加了看門狗功能。

信號校正器輸入電流/ m A上位機顯示電流/ m A　　　修正值+ 0 . 1最終偏差值4 . 0　　3 . 9　　4 . 0　　0 . 0 4 . 5　　4 . 4　　4 . 5　　0 . 0 5 . 0　　4 . 9　　5 . 0　　0 . 0 5 . 5　　5 . 5　　5 . 6　　0 . 1 6 . 0　　5 . 9　　6 . 0　　0 . 0 6 . 5　　6 . 4　　6 . 5　　0 . 0 7 . 0　　6 . 9　　7 . 0　　0 . 0 7 . 5　　7 . 5　　7 . 6　　0 . 1 8 . 0　　7 . 9　　8 . 0　　0 . 0 8 . 5　　8 . 4　　8 . 5　　0 . 0 9 . 0　　8 . 9　　9 . 0　　0 . 0 9 . 5　　9 . 4　　9 . 5　　0 . 0 1 0 . 0　　9 . 9　　1 0 . 0　　0 . 0 1 0 . 5　　1 0 . 4　　1 0 . 5　　0 . 0 1 1 . 0　　1 0 . 9　　1 1 . 0　　0 . 0 1 1 . 5　　1 1 . 4　　1 1 . 5　　0 . 0 1 2 . 0　　1 1 . 9　　1 2 . 0　　0 . 0 1 2 . 5　　1 2 . 5　　1 2 . 6　　0 . 1 1 3 . 0　　1 2 . 9　　1 3 . 0　　0 . 0 1 3 . 5　　1 3 . 4　　1 3 . 5　　0 . 0 1 4 . 0　　1 3 . 9　　1 4 . 0　　0 . 0 1 4 . 5　　1 4 . 4　　1 4 . 5　　0 . 0 1 5 . 0　　1 4 . 9　　1 5 . 0　　0 . 0 1 5 . 5　　1 5 . 4　　1 5 . 5　　0 . 0 1 6 . 0　　1 5 . 9　　1 6 . 0　　0 . 0 1 6 . 5　　1 6 . 4　　1 6 . 5　　0 . 0 1 7 . 0　　1 7 . 0　　1 7 . 1　　0 . 1 1 7 . 0　　1 7 . 0　　1 7 . 1　　0 . 1 1 7 . 5　　1 7 . 4　　1 7 . 5　　0 . 0 1 8 . 0　　1 7 . 9　　1 8 . 0　　0 . 0 1 8 . 5　　1 8 . 4　　1 8 . 5　　0 . 0 1 9 . 0　　1 8 . 9　　1 9 . 0　　0 . 0 1 9 . 5　　1 9 . 4　　1 9 . 5　　0 . 0 2 0 . 0　　1 9 . 9　　2 0 . 0　　0 . 0

3　實驗結(jié)果與分析

本節(jié)主要是在已經(jīng)構(gòu)建的多點電流信號測量系統(tǒng)平臺上，對整體系統(tǒng)的功能進行驗證。根據(jù)分布式控制系統(tǒng)特點，多測點電流信號采集系統(tǒng)只需將單一信號電路復(fù)用，更改下位機的節(jié)點號即可。所以本實驗使用一路電流信號采集進行功能驗證。實驗過程：使用電流信號校正器產(chǎn)生標準4～20 m A電流，通過下位機MCU處理器進行采集與轉(zhuǎn)化，在上位機的控制面板顯示實時的采集數(shù)據(jù)。實驗通過單個測試點電流信號采集對多測點進行評估。具體實驗步驟如下：使用信號發(fā)生器對4～20 m A電流信號以步長為0.5 m A進行實驗測試，對比電流信號發(fā)生器與上位機MFC控制面板顯示數(shù)值差異，并通過軟件編程對數(shù)據(jù)進行修正。

實驗數(shù)據(jù)處理：由實驗數(shù)據(jù)可以看出，上位機顯示電流與信號校正器的輸入電流具有0.1 m A的偏差，在單片機軟件中進行補償后得到修正值，通過比較修正值與電流實際輸出值可以看出電流顯示的精確度具有明顯的提高。同時在實驗過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)字濾波中調(diào)整采樣頻率可以有效地提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，配合數(shù)字濾波的算法可以消除上位機測量數(shù)值的跳動，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集。

4　總結(jié)

本文針對需要多點模擬電流信號采集工作環(huán)境對系統(tǒng)的需求，設(shè)計了基于CAN總線（CANopen協(xié)議）的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)控制系統(tǒng)總體構(gòu)架，進行了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。并在此基礎(chǔ)之上提出了優(yōu)化系統(tǒng)功能的措施。最后，利用搭建的實驗平臺，對系統(tǒng)的電流信號采集與數(shù)據(jù)顯示進行了實驗，最終驗證了方案的可行性。

［1］胡秀芳，張艾，陳巖.4～20 m A壓力變送器的電路設(shè)計［J］.中國儀器儀表，2002，17（5）：17-18.

［2］榮杰，饒和昌.基于CANopen協(xié)議的救援機器人調(diào)試系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011（7）：54-56.

［3］周立功，黃曉清，嚴寒亮.現(xiàn)場總線CANopen設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］劉琪芳.單片機測控系統(tǒng)的數(shù)字濾波算法研究［J］.機械工程與自動化，2011（3）：165-166.

Design and Optimization of Multipoint Current Signal Acquisition System Based on Microprocessor

Yang Yang
（Beijing Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Beijing100074，China）

The extensive using of automatic equipment is one of the most important symbol for industrial modernization.With gradual complex of environment and increasing improvement of demand，it is significant to realize reliable multi-point measurement.Considering the actual demand of engineering，the distributed control system based on CAN bus（CANopen protocol）was designed.In terms of the architecture for the control system，the hardware and software for this system were designed and implemented based on ATmega16.Considering the practical application，more methods are proposed to optimize the performance of system.Finally，based on the prototype，the system accuracy experiment was conducted，and the data was processed and analyzed.The experiment prove the system could realize the reliable measurement，it has a certain reference value.

multipoint；current signal acquisition；CAN communication；optimization design

1671-4598（2016）05-0223-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.063

TP3

A

2015-11-16；

2015-12-22。

楊陽（1988-），男，碩士，主要從事智能機器人，嵌入式開發(fā)方向的研究。