2008年第7期
(总第 107期 )
大 众 科 技
DAZHONG KEJl
No．7。2008
(Cumulatively No．1 07)
基于英飞凌的CAN总线数据采集网络节点的设计
李 松，胡玉兰
(沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁、沈阳 110168)
【摘 要】文章提出了一种基于英飞凌微控制器XC164CS的CAN总线分布式智能测控节点的设计，给出了系统硬件框图、
软件流程图、电路原理图，所设计节点实现方法简单，外扩器件少，结构合理，可靠性高，且节点扩展方便，已用于某工业现
场，波特率为 10Kbps。
【关键词】CAN总线；XC164CS；英飞凌微控制器；网络节点；CAN通信
【中图分类号】TP39 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2008)07-0035-03
在工业现场，如何将采集到的数据及时安全地传送给数
据监控与处理系统是工业控制系统首要解 决的一个实际问
题。对于这一实际问题通常采用现场总线技术，控制器局域
网(CAN)属于总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实
时控制的串行通信网络。CAN总线与一般的通信总线相比，
它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于CAN
本身的特点，其应用范围目前己不再局限于汽车行业，而扩
展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、
医疗器械、家用电器及传感器等领域发展，CAN 总线己成为工
业采集领域中首选的现场总线之一。
(一)CAN总线系统的组成模式
1．CAN总线特点
(1)CAN采用多主方式工作，不分主从。
(2)CAN 采用非破坏总线仲裁技术，大大节省了总线冲
突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现
网络瘫痪情况。
(3)在速率 5kpbs以下时，CAN 的直接通信距离最远可
达 10km~在通信距离为 40m以下时，CAN 的通信速率最高可
达 lmbps；CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可
达 110个。
(4)CAN 总线数据段长度最多为 8个字节，因此可保证
很短的传输时间，而且实时性强，受干扰的概率低，CAN 的每
帧信息都有 CRC校验，具有极好的检错效果，能够满足工业
领域中对一个工作点的控制命令或数据采集的要求。
(5)CAN 总线节点在严重错误的情况下，可自动切断与
总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。
2 CAN总线系统的组成模式
CAN 总线技术的控制系统一般采用总线式网络拓扑结构，
其组成模式如图 1所示。主要由监控站和若干智能测控节点
构成，上位监控站选用 PC机，它是整个系统的中心，可实现
强大的监控、管理功能。CAN 通信卡通过串口与 PC机通讯，
承担上位机和 CAN 节点之间的数据转发任务。
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图 1 CAN 总线系统结构框图
(二)基于英飞凌的cAN总线智能测控节点硬件设计
1．英飞凌XC164CS的特点
性价比高是CAN 总线智能测控节点设计力求的设计目标，
所以在选用作为核心器件的控制器时选用片内资源丰富的英
飞凌XC164CS，XC164CS具有令人印象深刻的DSP性能和先进
的中断处理，加上一种集成高效的外设集成高性能在片FLASH
或 ROM存储器，这些使得 XC164CS成为工业和汽车应用设备
的理想选择。其灵活的智能PwM单元简化了Ac，Dc或阻抗马
达的控制。高速、高分辨 AIE 处理复杂的模拟环境的快速和
精确转换。网络化的方案完全可以采用高效的通信接口来解
决，如具有 自动网关功能的高速 TwinCAN模块。
2．基于英飞凌的CAN总线智能测控节点的硬件结构
CAN 总线测控节点主要任务为数据采集、处理与 CAN 通
信，其硬件结构框图如 2所示。设计中，上位机通过 CAN 总
线适配卡可与多个CAN 总线智能数据测控节点进行信息交换。
CAN 总线智能测控节点把采集到的现场信号，经过预处理后，
进入 MCU处理，由CAN 收发器经由总线与上位机进行 CAN 协
议的数据交换，上位机对检测到的现场信号进一步分析、处
理或存储，完成系统的在线检测、计算机分析，处理完毕后，
将数字量结果重新转换为相应的模拟量，用于驱动显示仪表、
记录设备和反馈控制系统，去执行相应的操作。
【收稿日期】2008-04-22
【基金项目】国家装备预研项目 (624010105)
【作者简介】李松，男，河北滦南人，沈阳理工大学信息科学与工程学院在读硕士研究生，研究方向为智能传感器。
． 35．
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图2 CAN总线测控节点的硬件结构框图
(三)基于英飞凌的CAN总线智能测控节点软件设计
软件所实现的功能主要包括：采集数据的误差校正、标
度换算、系统自身的调零、校准，系统的故障检测、CAN协议
转换、CAN通讯等，软件流程如图 3所示。
1．上电初始化
包括 A／D初始化，CAN控制器初始化，定时器初始化，中
断优先级设置等。
2．标度换算
每一个数字量都和不同的物理量相对应，标度换算就是
把数字量变成物理量的过程，经过换算的物理量是符合上、
下位机通信协议的数字量。
3．数字调零
数字调零手段主要是为了消除模拟开关、放大电路以及
A／D转换器本身的偏差，削弱各种随时间和温度变化的漂移的
影响 。
4．非线性补偿
输入的数字量与对应的物理量呈非线性关系，对输入的
数字量进行线性化处理 ，本设计采用的线性差值法。
5．数字滤波
数字滤波是通过简单的计算或者判断程序，对采样信号
进行平滑处理，分离出有用的信号，消除或减少各种干扰和
噪声。本案将使用程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均
滤波法、加权平均滤波法等 。
6．温度补偿
测试点的环境温度将直接影响测量，需要对测量结果进
行温度补偿，首先要测出测量点的温度，该温度信号作为多
路采样开关采集信号的一路送入单片机。测温元件的输出经
放大及 A／D转换送到单片机，单片机通过并行接 口接收温度
数据，并暂存温度数据。信号采样结束，单片机运行温度误
差补偿程序，对输入信号进行温度补偿。
7．系统自检
上电初始化后即进行系统 自检，包括 CPU自检，外部存
储单元的自检等。
8．故障诊断
故障诊断将采用以下四种方法进行力所能及的故障诊
断，有以下四种方法：a．值域判定法 b．时域判定法 C．功
能判定法 d．逻辑判定法。
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图 3 软件流程 图
(四)设计实例
1．设计实例
在本设计中，测控节点可以采集 14路模拟量、8路开关
量、2路 SPI、2路SCI、5路脉冲量。14路模拟量先经信号
调理，转换为 O～2．5V的直流电压，再由 1：1的隔离放大器
送 XC164的 1O位 ADC。10位 ADC的工作模式选择与数据转换
操作由 XC164的内部寄存器 ADDC和 ADDR的编程控制完
成。8路开关量由 XC164的 8个GPIO进行输入。5路脉冲量
通过鉴相器处理后由CPU计数。SPI和 SCI信号直接连接到
McU的 SPI和 SCI控制器。硬件电路只需要在 XC164CS的TD1
(CAN1的发送器输出脚)与 RD1(CAN1的接收器输入脚)外
接 CAN总线驱动器即可。图 4中 CAN总线驱动器使用的是
PCA82C250T，它是连接 CAN控制器和物理总线之间的接口。
为了进一步提高 CAN总线节点的抗干扰能力，XC164CS的
TD1和 RD1分别通过高速光耦 6N137与PCA82C250T的TXD和
RXD相连。光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离。
为了提高网络节点的拓扑能力，CAN总线两端需要接有 120Q
的抑制反射的终端电阻。为了减小现场对节点的干扰，采用
屏蔽双绞线。本设计中，XC164既作为主控制器，还作为 CAN
网络的节点控制器，与网络中的其他节点实现数据传输，设
计原理图如图4所示。
A／D转换部分采用的自动扫描连续转换模式，对选中的通
道组进行重复转换。每次转换结束后进入中断进行数据读取。
CAN通信开启接收和中断，当接收到主机命令的时候，进
入接收中断，发送被选择的报文对象。当发送错误时进入发
送中断，进行重发相关的报文对象。
通用定时器模块启用鉴相器模式。通过 JTAG接口在线程
序下载、调试。
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图4 设计原理图
2．试验结果
在实际应用中，设有 8个 CAN总线智能测控节点，波特
率为 10K，通信距离约为2km，每个 CAN 总线智能测控节点根
据制定的协议以大约 200ms的时间间隔发送采集的数据，采
集了温度、湿度、位置等多个信号，通过软硬件数据处理方
法，大大提高了采集数据的精度，总线的负载远低于可允许
的范围。根据对上传上位机的数据验证，数据可靠及时。可
实现主机的远程控制，对节点系统进行实时检测及故障诊断，
进一步提高了在关键环境中使用的可靠性。
(五)结论
基于英飞凌的 CAN 总线智能测控节点外围电路少，成本
低，接口丰富，可实现输入多种信号，一般无需加额外扩展
接 口即可满足工业需求。可实现远距离数据通信，抗干扰能
力强，在复杂工业环境下，仍然可以保持正常工作。网络节
点数 目最多可达到 128，可以扩大上位机的监控范围。也可实
现对电机的实时控制，做到检测和控制一体。基于英飞凌的
CAN 总线智能测控节点的体积小，可在很多对体积有特殊要求
的环境中应用。
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(上接第 39页)
图3 基于条件反馈的 Leader-fol lower多机器人系统队形
控制仿真图
(五)结论
本文针对基本的基于 Leader-fol lower多机器人系统队
形 控 制 策 略 的 缺 点 ， 采 用 基 于 条 件 反 馈 机 制 的
Leader—follower多机器人队形控制方法，将多机器人系统的
队形控制问题转化为基于条件反馈机制的 follower跟踪
leader的位置和方向的问题，仿真结果表明所提出的方法是
合理有效的，使多机器人系统能够有效地完成编队控制任务，
并兼顾了队形运动的流畅性和系统的安全性。
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