基于CAN总线的分布式热电阻智能节点的设计

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1 引言

+ v6 s3 O$ G* }/ i$ |2 I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
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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
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# Q4 P5 u  h+ o, W8 r$ s2.2信号输入端电路与采样电路
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4 U, o0 [" ?& A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。

! D6 L) h3 X" F1 t3 R, i# |& d% Y2.3 can和rs-485通信电路
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. P" `/ O$ k4 r# w/ _can和rs-485通信电路原理图如图4所示。

$ B3 b8 q2 z' emc9s12d64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
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. X2 j/ K; x9 z; F) A7 ?3 热电阻智能节点软件设计

3.1概述
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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。

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。

: l9 L( q! w$ F2 m3.2 节点与上位机的can通信
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& H2 k: b1 D% D: W智能节点与主控卡或上位机的通信主要基于can通信协议来完成，它的优点是能够实时处理数据、在恶劣环境下正常工作、成本低且拥有比较高的带宽。由于上位机内部无can网络适配器，因此需外接rs-232/can转接卡，实现上位机与智能节点的通信。通过节点上的跳线设置节点地址，当上位机发出命令时，节点进入can接收中断，对数据解包放入接收缓冲区并调用数据处理函数。当上位机发出组态命令时，单片机会将收到的组态通道信息和信号类型写入e2prom保存，并回送一帧数据通知上位机组态信息已成功接收。当接收到上传rtd值命令时，单片机会将内存中的4路rtd温度值以多帧形式发送给上位机。

& e7 j" V- p6 ?. I/ Y3.3 rtd阻值变换算法
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3 e6 r5 y! y+ b7 v$ y% |软件设计中关键算法在于rtd电压阻值的转化，刻度点间的线性化及标度变换。以pt100热电阻的温度刻度表为例，
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( ?# {1 T% E3 r# h1 a# z! I+ B% b9 Xpt100tab：fcb 04h,00h,07h,39h,08h,0e8h,0ah,94h,0ch,3ch,

4 |9 ^- i1 w2 \8 Z& v% ~fcb 0dh,0e1h, 0fh,83h,11h,23h,12h,0c0h,14h,5bh,

9 {8 S/ C* _1 r; h- J9 {  jfcb 15h,0f3h,17h,89h,19h,1eh,1ah,0b1h,1ch,41h,
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% y3 g- H) K- H* V2 V2 ?3 v( B
* J# Y# u) w! Jfcb 91h,84h,92h,0afh,93h,0d8h,95h,01h,96h,28h,
+ C: V) |0 w7 S: M, F% T6 J7 b
5 m4 C. a/ q- [* n6 I  [  }6 f0 j# kfcb 97h,4eh,98h,72h,9ah,0cah
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分度表由-210℃开始每间隔10℃作为一个刻度点，每一个刻度点的电阻值扩大100倍后转换为十六进制数即构成上表。考虑到表格的一致性，cu100和cu50热电阻的分度表也从-210℃开始计算。

# I: A6 A1 C. b8 J0 P$ B3 H当得到校正后的ad转换数值后，需要将采样到的电压信号转换为电阻值以便于查表。阻值计算公式如下：

r即为实际热电阻阻值，在这里将其扩大100倍以便于查表。
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3.4 分段线性化查表
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( f- }5 d- \8 v, R5 P3 N& o得到的对应阻值后，则从第0个刻度点开始比较，如果该采样值大于第0个刻度点，则再与下一个刻度点比较，同时记录小于该采样值的刻度点的个数n，如果采样值小于某一温度刻度点，则温度位于该刻度点b与前一个刻度点a之间，温度线性化在a、b两刻度点之间进行，线性化得到的温度加上a点对应的温度（n×10）即为采样温度。
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8 d; t% Y7 G3 m3 n7 Y1 y4 [以pt100热电阻为例，某一通道得到校正后的采样值为$9343，则前8个刻度点均小于$9343，第9个刻度点值大于$9343，记录小于该采样值的刻度点的个数n＝101，此时a点（第101个刻度点$92af）对应温度为10×101＝1010℃，b点（第9个刻度点$93d8）温度为1020℃，线性化在a、b两点间进行，具体公式为：
$ p4 m# b& E1 q- o4 p. H, b$ A
[（＄934-＄92af）/（＄93d8-＄92af）]×10=5℃
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" R/ \+ y- ]6 ~0 P% U7 B所以$9343对应的温度为：
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5 n$ B9 P+ X, l: R8 ba点（第101个刻度点）对应温度1010℃+线性化温度5℃-210℃=805℃
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其中，各表均以-210℃作为起始，故计算温度时应减去210℃。

4 结束语
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本智能测控节点主要完成对现场热电阻信号进行采集和处理。在实验室条件下，利用电阻计代替现场的热电阻信号，经过反复测试，温度测量值均正确，并且误差在±1%以内。另外在监控程序的控制下，节点能够有效配合上位机完成系统的组态、信号校正和上传等功能，具有可靠、实时、灵活等特点。

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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。