专利名称：Can总线数据采集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电器设备，尤其涉及一种CAN总线数据采集装置。
背景技术：
CAN总线数据通讯技术已越来越广泛地应用于各个领域，现有技术的CAN总线数据采集装置由于其结构上的原因，尚存在以下不足1、只是开关量的输入和输出，有AD转换功能的特别少；2、输出的驱动能力十分小，如果要驱动大的负载，一般都要外加驱动模块；3、通讯方式大多都采用RS485的方式，不适合在通讯可靠性要求高、通讯数据量要求大的场合；4、产品的兼容性低；5、修改通讯参数是通过外部的拨码开关实现，带来很大的安全隐患(如果有人不小心改变了拨码开关的位置，或者有人故意改变其位置就造成通讯失败和控制失灵)；6、对电源模块缺乏完全的保护措施，有的使用损坏个别器件保护其它器件的方式如加TVS管防止超过额定电压，有的则使用保险丝但是不仅大电流的保险丝的体积比较大难于集成到电路板上而且保险丝的反应时间是相当慢，也不能有效保护一些对电压要求敏感的器件；7、缺乏对通讯线路CAN总线的保护。
发明内容
本发明的目的，就是为了克服以上缺陷而提供一种新型结构的CAN总线数据采集装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种CAN总线数据采集装置，包括单片微型控制器单元以及与该单片微型控制器单元连接的外部开关信号输入模块和开关信号输出模块，还包括分别与单片微型控制器单元连接的一个电源检测与保护单元、一个CAN总线检测与保护单元以及一个闭环反馈网络单元；所述的电源检测与保护单元包括电源保护模块、电源检测模块和电源转换模块，电源保护模块和电源检测模块的输入端分别与外部电源连接，电源检测模块的输出端连接电源保护模块，电源保护模块的输出端分别连接电源转换模块和脉宽调制驱动模块，电源转换模块的输出端分别连接单片微型控制器单元和CAN总线检测与保护单元；所述的CAN总线检测与保护单元包括CAN总线检测模块、CAN总线保护模块和CAN通讯模块，CAN总线检测模块和CAN总线保护模块的输入端分别连接CAN总线，CAN总线检测模块的输出端连接CAN总线保护模块，CAN总线保护模块还与CAN通讯模块输入输出相连，CAN通讯模块还与单片微型控制器单元输入输出相连；所述的闭环反馈网络单元包括脉宽调制信号驱动模块、脉宽调制电流反馈模块和增量编码器接口模块，脉宽调制信号驱动模块的输入端连接单片微型控制器单元，脉宽调制电流反馈模块的输入端连接脉宽调制信号驱动模块，脉宽调制电流反馈模块的输出端连接单片微型控制器单元，增量编码器接口模块的输入端与脉宽调制信号驱动模块信号相连，增量编码器接口模块的输出端连接单片微型控制器单元。
所述的单片微型控制器单元采用英飞凌(infineon)公司的16位增强功能型单片机XC164，内部集成有DSP模块、二路CAN控制模块、脉宽调制信号控制模块、增量编码器处理模块和AD转换模块。
所述的电源保护模块采用英飞凌(infineon)公司的BTS660P。
所述的电源检测模块采用迟滞比较的检测方式。
所述的开关信号输出模块采用BSP78，其最大的输出电流可达3A。
所述的CAN保护模块内采用了AD4C331固态继电器。
所述的CAN总线检测模块采用双二极管和PNP三极管实现外部CAN总线的电压变化检测。
所述的外部开关信号输入模块采用电感电容∏型滤波器和由LM2901设计成的迟滞比较器相结合共同完成对外部开关信号的采集。
所述的CAN通讯模块中集成了CANOpen和DeviceNet二种CAN总线的高层通讯协议。
所述的脉宽调制信号输出模块采用BTS840S2作为脉宽调制信号的驱动。
本发明一种CAN总线数据采集装置由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，具有以下的优点和特点
1、采用了超强的电源检测模块和电源保护模块，基本能够预防外部的各种异常输入电压对装置造成损坏的可能性。在电源保护模块中采用了宽范围、大电流的电源开关(Smart Highside High Current Power Switch)，其正常工作的最大电流可以达到44安培，具有温度保护功能、过压保护功能和过流保护功能。电源保护模块是由电源检测模块给出一个有效的信号来控制的，二者结合工作具有超强的保护功能，可保障系统不受异常电源的影响。
2、采用了CAN总线检测模块和CAN总线保护模块。CAN总线检测模块在检测到总线上的电压超过额定电压时(设计电压是9V)，就发出控制信号给CAN总线保护模块，使其和外部总线断开连接来实现保护内部的CAN接口电路不受损坏，当总线恢复正常时，CAN检测模块又自动恢复其正常的电平使CAN保护模块正常的工作。
3、所采用的脉宽调制(PWM)信号驱动模块的驱动能力强(0～4A)，可以直接驱动直流电机、电磁阀和液压阀，并且还有PWM电流反馈模块构成闭环控制网络可以防止电流过大而损坏外部设备。通过电流反馈模块调整PWM信号的频率和占空比来调节驱动的电流适合的大小，这样很好的保护了外部设备的安全和正常运行。并且还设置了增量编码器接口模块，其功能不仅可以记录编码器的运行情况，也可以把此功能设置成PWM驱动模块的反馈网络，这样就可以使PWM信号驱动直流电机时的转速控制和位置控制得到很好的控制效果。
4、所采用的开关信号输出模块有驱动电流大的特点(0～3A)，可以不加外部驱动直接驱动电阻负载、电感负载和容性负载，应用的范围非常宽。
5、所采用的CAN通讯模块中同时集成了CANOpen和DeviceNet二种CAN总线的高层通讯协议，使CAN总线数据采集装置的兼容性更好，并且使用非常方便，二种通讯协议可以同时使用互不影响。
6、所采用的外部开关量输入模块采用了滤波和迟滞比较的方式共同来防止外部的干扰信号，有效的防止了外部输入信号不稳定造成的读取外部信号的错误而引起的整个系统的控制错误，从而提高了整个系统的可靠性和抗干扰性能。
图1为本发明CAN总线数据采集装置的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明的CAN总线数据采集装置，包括单片微型控制器单元1、与单片微型控制器单元1连接的外部开关信号输入模块2和开关信号输出模块3，还包括分别与单片微型控制器单元1连接的一个电源检测与保护单元4、一个CAN总线检测与保护单元5以及一个闭环反馈网络单元6。电源检测与保护单元4包括电源保护模块41、电源检测模块42和电源转换模块43，电源保护模块41和电源检测模块42的输入端分别与外部电源连接，电源检测模块42的输出端连接电源保护模块41，电源保护模块41的输出端分别连接电源转换模块43和脉宽调制信号驱动模块61，电源转换模块43的输出端分别连接单片微型控制器单元1和CAN总线检测与保护单元5。CAN总线检测与保护单元5包括CAN总线检测模块51、CAN总线保护模块52和CAN通讯模块53，CAN总线检测模块51和CAN总线保护模块52的输入端分别连接CAN总线，CAN总线检测模块51的输出端连接CAN总线保护模块52，CAN总线保护模块52还与CAN通讯模块53输入输出相连，CAN通讯模块53还与单片微型控制器单元1输入输出相连。闭环反馈网络单元6包括脉宽调制信号驱动模块61、脉宽调制电流反馈模块62和增量编码器接口模块63，脉宽调制信号驱动模块61的输入端连接单片微型控制器单元1，脉宽调制电流反馈模块62的输入端连接脉宽调制信号驱动模块61，脉宽调制电流反馈模块62的输出端连接单片微型控制器单元1，增量编码器接口模块63的输入端与脉宽调制信号驱动模块62信号相连，可设定为脉宽调制信号输出的电机反馈控制，增量编码器接口模块63的输出端连接单片微型控制器单元1。
本发明中的单片微型控制器单元可以根据系统的要求采用16位机或32位机或8位机，在本实施例中综合各个方面的考虑采用了英飞凌(infineon)公司的16位增强功能型单片机XC164做为整个IO控制装置的控制核心部件。它的可靠性高、运算速度快(内部集成有DSP模块)、提供的资源丰富内部集成了2路CAN控制模块、PWM控制模块、增量编码器处理模块、AD转换模块以及丰富的输入输出(IO)口。
本发明中的电源保护模块也是采用英飞凌(infineon)公司的BTS660P，它具有温度保护、过压过流保护、过载保护等功能，负载正常工作电流可以高达44A，它内部集成了一个电流传感器可以让系统检测整个系统的总的电流大小。
本发明中的电源检测模块采用的是迟滞比较的方式，当电源超过40V时就给出一个信号给保护模块BTS660P，使其关断从而使高压不会破坏后续的电路。电源检测模块和电源保护模块的结合使用可以达到很好的电源保护效果。
本发明中的开关信号输出模块采用的是BSP78，它由单片微型控制器直接控制，输出的电流大(正常最大的输出电流可达3A)，可以驱动任何特性的负载(如感性负载、容性负载和阻性负载)。
本发明中的CAN总线保护模块中采用了AD4C331固态继电器，通过控制信号来打开或关断CAN外部总线和内部CAN接口的连接，以实现CAN总线的连接和关断功能，从而实现外部CAN总线与内部CAN接口的断开或连接。
本发明中的CAN总线检测模块主要是使用双二极管和PNP三极管来实现外部CAN总线的电压变化情况。当外部总线电压高于设计设置电压9V时，就输出PNP三极管导通，关闭CAN总线保护模块的AD4C331固态继电器，实现外部总线的断开，使外部的高压电不会影响到内部的CAN接口芯片。
本发明中的开关信号输入模块采用了电感电容Π型滤波器和由LM2901设计成的迟滞比较器相结合的方式共同完成外部开关信号的采集，根据需要可以通过改变电阻的值来改变相应高、低电平的阀值电压，被系统设置的高电平阀值是0.4倍电源电压，低电平阀值电压是0.2倍电源电压。此模块主要是采集外部的开关信号量，主要采用了对外部输入信号的滤波和迟滞比较的方式来滤出干扰信号和防止外部信号的不稳定而出现采集到的信号不可靠或不稳定，迟滞比较的电压阀值不是一个固定的值而是与外部输入的电源电压有联系的，从而不会因外部输入电压不确定而引起的对信号输入的逻辑电平的不确定可能性。
本发明在设计中为了满足对模拟量进行采集以及一些采用4mA～20mA电流环的转换，在CAN总线数据采集装置中采用了AD转换模块，应用中可以设置每个输入端口的信号形式是电流信号还是电压信号，AD转换的精度是10位。本实施例设计的最大电压是30V，输入检测的最大电流是30mA，满读数的电流是23mA。
本发明中的脉宽调制(PWM)信号驱动模块中PWM信号的产生是直接采用微控制器内集成的PWM控制模块，采用BTS840S2作为PWM信号的驱动，BTS840S2内部集成2路PWM驱动和电流传感器输出，此电流传感器输出的功能再加上外部的处理电路就构成了PWM电流反馈模块。脉宽调制电流反馈模块(PWM电流反馈模块)主要应用在一些感性负载和阻性负载的电流反馈，实际应用中为了适应负载的情况调整脉宽调制(PWM)的占空比和频率，有效的防止了对驱动对象的负载小而引起电流过大而引起的驱动对象的损坏和不正常的工作；同理也可防止占空比的不合理导致驱动力的下降导致对大的负载不能驱动而不能正常可靠工作的情形。
本发明中的增量编码器接口模块可以直接外接增量编码器来实现脉冲的自动增减记数来记录被测转动设备的转动情况，也可设置成脉宽调制(PWM)驱动直流电机的一个间接的反馈信号，比如控制电机的转动速度、转动圈数进行设置可在对控制精度要求较高的场合中使用。并且增量编码器接口采用硬件直接记数及判断运行方向的方式，极大地提高了记数的频率和可靠性，同时减少了由于采用软件记数的CPU的占有率。
本发明中的CAN通讯模块中集成了CANOpen和DeviceNet二种CAN总线的高层通讯协议。这两种协议各自采用了CAN通讯模块中的一个CAN通讯节点，而且所有的通讯参数是通过上位机软件人工设置完成，参数只设置一次(不象有的通讯模块是通过外部的拨码开关进行通讯参数设置)。
本发明的装置中还设置了温度测量模块，此模块可以时时检测内部温度的大小，此温度的值可以提供给外部的控制器。
权利要求
1.一种CAN总线数据采集装置，包括单片微型控制器单元以及与该单片微型控制器单元连接的外部开关信号输入模块和开关信号输出模块，其特征在于还包括分别与单片微型控制器单元连接的一个电源检测与保护单元、一个CAN总线检测与保护单元以及一个闭环反馈网络单元；所述的电源检测与保护单元包括电源保护模块、电源检测模块和电源转换模块，电源保护模块和电源检测模块的输入端分别与外部电源连接，电源检测模块的输出端连接电源保护模块，电源保护模块的输出端分别连接电源转换模块和脉宽调制驱动模块，电源转换模块的输出端分别连接单片微型控制器单元和CAN总线检测与保护单元；所述的CAN总线检测与保护单元包括CAN总线检测模块、CAN总线保护模块和CAN通讯模块，CAN总线检测模块和CAN总线保护模块的输入端分别连接CAN总线，CAN总线检测模块的输出端连接CAN总线保护模块，CAN总线保护模块还与CAN通讯模块输入输出相连，CAN通讯模块还与单片微型控制器单元输入输出相连；所述的闭环反馈网络单元包括脉宽调制信号驱动模块、脉宽调制电流反馈模块和增量编码器接口模块，脉宽调制信号驱动模块的输入端连接单片微型控制器单元，脉宽调制电流反馈模块的输入端连接脉宽调制信号驱动模块，脉宽调制电流反馈模块的输出端连接单片微型控制器单元，增量编码器接口模块的输入端与脉宽调制信号驱动模块信号相连，增量编码器接口模块的输出端连接单片微型控制器单元。
2.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的单片微型控制器单元采用英飞凌(infineon)公司的16位增强功能型单片机XC164，内部集成有DSP模块、二路CAN控制模块、脉宽调制信号控制模块、增量编码器处理模块和AD转换模块。
3.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的电源保护模块采用英飞凌(infineon)公司的BTS660P。
4.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的电源检测模块采用迟滞比较的检测方式。
5.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的开关信号输出模块采用BSP78，其最大的输出电流可达3A。
6.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的CAN保护模块内采用了AD4C331固态继电器。
7.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的CAN总线检测模块采用双二极管和PNP三极管实现外部CAN总线的电压变化检测。
8.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的外部开关信号输入模块采用电感电容∏型滤波器和由LM2901设计成的迟滞比较器相结合共同完成对外部开关信号的采集。
9.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的CAN通讯模块中集成了CANOpen和DeviceNet二种CAN总线的高层通讯协议。
10.如权利要求1所述的CAN总线数据采集装置，其特征在于所述的脉宽调制信号输出模块采用BTS840S2作为脉宽调制信号的驱动。
全文摘要
本发明提供了一种CAN总线数据采集装置，它包括单片微型控制器单元、电源检测与保护单元、CAN总线检测与保护单元和闭环反馈网络单元。电源检测与保护单元包括电源保护模块、电源检测模块和电源转换模块。CAN总线检测与保护单元包括CAN总线检测模块、CAN总线保护模块和CAN通讯模块。闭环反馈网络单元包括脉宽调制信号驱动模块、脉宽调制电流反馈模块和增量编码器接口模块。本发明能够预防外部的各种异常输入电压对装置造成损坏的可能性，可保护CAN总线不受损坏，可以直接驱动直流电机、电磁阀和液压阀，可以防止电流过大而损坏外部设备，CAN总线数据采集装置的兼容性更好，并且使用非常方便。
文档编号G05B15/02GK1987950SQ20051011189
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月23日 优先权日2005年12月23日
发明者王智, 张卫东, 王峰, 马性辉 申请人:上海派恩科技有限公司