專利名稱：控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電器設備，尤其涉及一種控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置。
背景技術：
CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線數(shù)據(jù)通訊技術已越來越廣泛地應用于各個領域，現(xiàn)有技術的CAN總線數(shù)據(jù)采集裝置由于其結構上的原因，尚存在以下不足1、只是開關量的輸入和輸出，有AD(模數(shù)轉換器)轉換功能的特別少；2、輸出的驅動能力十分小，如果要驅動大的負載，一般都要外加驅動模塊；3、通訊方式大多都采用RS485的方式，不適合在通訊可靠性要求高、通訊數(shù)據(jù)量要求大的場合；4、產(chǎn)品的兼容性低；5、修改通訊參數(shù)是通過外部的撥碼開關實現(xiàn)，帶來很大的安全隱患(如果有人不小心改變了撥碼開關的位置，或者有人故意改變其位置就造成通訊失敗和控制失靈)；6、對電源模塊缺乏完全的保護措施，有的使用損壞個別器件保護其它器件的方式如加TVS管防止超過額定電壓，有的則使用保險絲但是不僅大電流的保險絲的體積比較大難于集成到電路板上而且保險絲的反應時間是相當慢，也不能有效保護一些對電壓要求敏感的器件；7、缺乏對通訊線路CAN總線的保護。

發(fā)明內容
本實用新型的目的，就是為了克服以上缺陷而提供一種新型結構的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置。
本實用新型的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的一種控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，包括單片微型控制器單元以及與該單片微型控制器單元連接的外部開關信號輸入模塊和開關信號輸出模塊，還包括分別與單片微型控制器單元連接的一個電源檢測與保護單元、一個CAN總線檢測與保護單元以及一個閉環(huán)反饋網(wǎng)絡單元；所述的電源檢測與保護單元包括電源保護模塊、電源檢測模塊和電源轉換模塊，電源保護模塊和電源檢測模塊的輸入端分別與外部電源連接，電源檢測模塊的輸出端連接電源保護模塊，電源保護模塊的輸出端分別連接電源轉換模塊和脈寬調制驅動模塊，電源轉換模塊的輸出端分別連接單片微型控制器單元和CAN總線檢測與保護單元；所述的CAN總線檢測與保護單元包括CAN總線檢測模塊、CAN總線保護模塊和CAN通訊模塊，CAN總線檢測模塊和CAN總線保護模塊的輸入端分別連接CAN總線，CAN總線檢測模塊的輸出端連接CAN總線保護模塊，CAN總線保護模塊還與CAN通訊模塊輸入輸出相連，CAN通訊模塊還與單片微型控制器單元輸入輸出相連；所述的閉環(huán)反饋網(wǎng)絡單元包括脈寬調制信號驅動模塊、脈寬調制電流反饋模塊和增量編碼器接口模塊，脈寬調制信號驅動模塊的輸入端連接單片微型控制器單元，脈寬調制電流反饋模塊的輸入端連接脈寬調制信號驅動模塊，脈寬調制電流反饋模塊的輸出端連接單片微型控制器單元，增量編碼器接口模塊的輸入端與脈寬調制信號驅動模塊信號相連，增量編碼器接口模塊的輸出端連接單片微型控制器單元。
所述的單片微型控制器單元采用16位增強功能型單片機XC164，內部集成有DSP模塊、二路控制器局域網(wǎng)控制模塊、脈寬調制信號控制模塊、增量編碼器處理模塊和AD轉換模塊。
所述的電源保護模塊采用BTS660P。
所述的電源檢測模塊采用遲滯比較的檢測方式。
所述的開關信號輸出模塊采用BSP78，其最大的輸出電流可達3A。
所述的CAN保護模塊內采用了AD4C331固態(tài)繼電器。
所述的CAN總線檢測模塊采用雙二極管和PNP三極管實現(xiàn)外部CAN總線的電壓變化檢測。
所述的外部開關信號輸入模塊采用電感電容II型濾波器和由LM2901設計成的遲滯比較器相結合共同完成對外部開關信號的采集。
所述的CAN通訊模塊中集成了CAN Open和DeviceNet二種CAN總線的高層通訊協(xié)議。
所述的脈寬調制信號輸出模塊采用BTS840S2作為脈寬調制信號的驅動。
本實用新型一種控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置由于采用了以上技術方案，使其與現(xiàn)有技術相比，具有以下的優(yōu)點和特點1、采用了超強的電源檢測模塊和電源保護模塊，基本能夠預防外部的各種異常輸入電壓對裝置造成損壞的可能性。在電源保護模塊中采用了寬范圍、大電流的電源開關(Smart Highside High Current Power Switch)，其正常工作的最大電流可以達到44安培，具有溫度保護功能、過壓保護功能和過流保護功能。電源保護模塊是由電源檢測模塊給出一個有效的信號來控制的，二者結合工作具有超強的保護功能，可保障系統(tǒng)不受異常電源的影響。
2、采用了CAN總線檢測模塊和CAN總線保護模塊。CAN總線檢測模塊在檢測到總線上的電壓超過額定電壓時(設計電壓是9V)，就發(fā)出控制信號給CAN總線保護模塊，使其和外部總線斷開連接來實現(xiàn)保護內部的CAN接口電路不受損壞，當總線恢復正常時，CAN檢測模塊又自動恢復其正常的電平使CAN保護模塊正常的工作。
3、所采用的脈寬調制(PWM)信號驅動模塊的驅動能力強(0～4A)，可以直接驅動直流電機、電磁閥和液壓閥，并且還有PWM電流反饋模塊構成閉環(huán)控制網(wǎng)絡可以防止電流過大而損壞外部設備。通過電流反饋模塊調整PWM信號的頻率和占空比來調節(jié)驅動的電流適合的大小，這樣很好的保護了外部設備的安全和正常運行。并且還設置了增量編碼器接口模塊，其功能不僅可以記錄編碼器的運行情況，也可以把此功能設置成PWM驅動模塊的反饋網(wǎng)絡，這樣就可以使PWM信號驅動直流電機時的轉速控制和位置控制得到很好的控制效果。
4、所采用的開關信號輸出模塊有驅動電流大的特點(0～3A)，可以不加外部驅動直接驅動電阻負載、電感負載和容性負載，應用的范圍非常寬。
5、所采用的CAN通訊模塊中同時集成了CANOpen和DeviceNet二種CAN總線的高層通訊協(xié)議，使CAN總線數(shù)據(jù)采集裝置的兼容性更好，并且使用非常方便，二種通訊協(xié)議可以同時使用互不影響。
6、所采用的外部開關量輸入模塊采用了濾波和遲滯比較的方式共同來防止外部的干擾信號，有效的防止了外部輸入信號不穩(wěn)定造成的讀取外部信號的錯誤而引起的整個系統(tǒng)的控制錯誤，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能。


圖1為本實用新型控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步說明。
參見圖1，本實用新型的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，包括單片微型控制器單元1、與單片微型控制器單元1連接的外部開關信號輸入模塊2和開關信號輸出模塊3，還包括分別與單片微型控制器單元1連接的一個電源檢測與保護單元4、一個CAN總線檢測與保護單元5以及一個閉環(huán)反饋網(wǎng)絡單元6。電源檢測與保護單元4包括電源保護模塊41、電源檢測模塊42和電源轉換模塊43，電源保護模塊41和電源檢測模塊42的輸入端分別與外部電源連接，電源檢測模塊42的輸出端連接電源保護模塊41，電源保護模塊41的輸出端分別連接電源轉換模塊43和脈寬調制信號驅動模塊61，電源轉換模塊43的輸出端分別連接單片微型控制器單元1和CAN總線檢測與保護單元5。CAN總線檢測與保護單元5包括CAN總線檢測模塊51、CAN總線保護模塊52和CAN通訊模塊53，CAN總線檢測模塊51和CAN總線保護模塊52的輸入端分別連接CAN總線，CAN總線檢測模塊51的輸出端連接CAN總線保護模塊52，CAN總線保護模塊52還與CAN通訊模塊53輸入輸出相連，CAN通訊模塊53還與單片微型控制器單元1輸入輸出相連。閉環(huán)反饋網(wǎng)絡單元6包括脈寬調制信號驅動模塊61、脈寬調制電流反饋模塊62和增量編碼器接口模塊63，脈寬調制信號驅動模塊61的輸入端連接單片微型控制器單元1，脈寬調制電流反饋模塊62的輸入端連接脈寬調制信號驅動模塊61，脈寬調制電流反饋模塊62的輸出端連接單片微型控制器單元1，增量編碼器接口模塊63的輸入端與脈寬調制信號驅動模塊62信號相連，可設定為脈寬調制信號輸出的電機反饋控制，增量編碼器接口模塊63的輸出端連接單片微型控制器單元1。
本實用新型中的單片微型控制器單元可以根據(jù)系統(tǒng)的要求采用16位機或32位機或8位機，在本實施例中綜合各個方面的考慮采用了英飛凌(infineon)公司的16位增強功能型單片機XC164做為整個IO控制裝置的控制核心部件。它的可靠性高、運算速度快(內部集成有DSP模塊)、提供的資源豐富內部集成了2路CAN控制模塊、PWM控制模塊、增量編碼器處理模塊、AD轉換模塊以及豐富的輸入輸出(IO)口。
本實用新型中的電源保護模塊也是采用英飛凌(infineon)公司的BTS660P，它具有溫度保護、過壓過流保護、過載保護等功能，負載正常工作電流可以高達44A，它內部集成了一個電流傳感器可以讓系統(tǒng)檢測整個系統(tǒng)的總的電流大小。
本實用新型中的電源檢測模塊采用的是遲滯比較的方式，當電源超過40V時就給出一個信號給保護模塊BTS660P，使其關斷從而使高壓不會破壞后續(xù)的電路。電源檢測模塊和電源保護模塊的結合使用可以達到很好的電源保護效果。
本實用新型中的開關信號輸出模塊采用的是BSP78，它由單片微型控制器直接控制，輸出的電流大(正常最大的輸出電流可達3A)，可以驅動任何特性的負載(如感性負載、容性負載和阻性負載)。
本實用新型中的CAN總線保護模塊中采用了模數(shù)轉換器4C331固態(tài)繼電器，通過控制信號來打開或關斷CAN外部總線和內部CAN接口的連接，以實現(xiàn)CAN總線的連接和關斷功能，從而實現(xiàn)外部CAN總線與內部CAN接口的斷開或連接。
本實用新型中的CAN總線檢測模塊主要是使用雙二極管和PNP三極管來實現(xiàn)外部CAN總線的電壓變化情況。當外部總線電壓高于設計設置電壓9V時，就輸出PNP三極管導通，關閉CAN總線保護模塊的模數(shù)轉換器4C331固態(tài)繼電器，實現(xiàn)外部總線的斷開，使外部的高壓電不會影響到內部的CAN接口芯片。
本實用新型中的開關信號輸入模塊采用了電感電容∏型濾波器和由LM2901設計成的遲滯比較器相結合的方式共同完成外部開關信號的采集，根據(jù)需要可以通過改變電阻的值來改變相應高、低電平的閥值電壓，被系統(tǒng)設置的高電平閥值是0.4倍電源電壓，低電平閥值電壓是0.2倍電源電壓。此模塊主要是采集外部的開關信號量，主要采用了對外部輸入信號的濾波和遲滯比較的方式來濾出干擾信號和防止外部信號的不穩(wěn)定而出現(xiàn)采集到的信號不可靠或不穩(wěn)定，遲滯比較的電壓閥值不是一個固定的值而是與外部輸入的電源電壓有聯(lián)系的，從而不會因外部輸入電壓不確定而引起的對信號輸入的邏輯電平的不確定可能性。
本實用新型在設計中為了滿足對模擬量進行采集以及一些采用4mA～20mA電流環(huán)的轉換，在CAN總線數(shù)據(jù)采集裝置中采用了AD轉換模塊，應用中可以設置每個輸入端口的信號形式是電流信號還是電壓信號，AD轉換的精度是10位。本實施例設計的最大電壓是30V，輸入檢測的最大電流是30mA，滿讀數(shù)的電流是23mA。
本實用新型中的脈寬調制(PWM)信號驅動模塊中PWM信號的產(chǎn)生是直接采用微控制器內集成的PWM控制模塊，采用BTS840S2作為PWM信號的驅動，BTS840S2內部集成2路PWM驅動和電流傳感器輸出，此電流傳感器輸出的功能再加上外部的處理電路就構成了PWM電流反饋模塊。脈寬調制電流反饋模塊(PWM電流反饋模塊)主要應用在一些感性負載和阻性負載的電流反饋，實際應用中為了適應負載的情況調整脈寬調制(PWM)的占空比和頻率，有效的防止了對驅動對象的負載小而引起電流過大而引起的驅動對象的損壞和不正常的工作；同理也可防止占空比的不合理導致驅動力的下降導致對大的負載不能驅動而不能正?？煽抗ぷ鞯那樾?。
本實用新型中的增量編碼器接口模塊可以直接外接增量編碼器來實現(xiàn)脈沖的自動增減記數(shù)來記錄被測轉動設備的轉動情況，也可設置成脈寬調制(PWM)驅動直流電機的一個間接的反饋信號，比如控制電機的轉動速度、轉動圈數(shù)進行設置可在對控制精度要求較高的場合中使用。并且增量編碼器接口采用硬件直接記數(shù)及判斷運行方向的方式，極大地提高了記數(shù)的頻率和可靠性，同時減少了由于采用軟件記數(shù)的CPU的占有率。
本實用新型中的CAN通訊模塊中集成了CANOpen和DeviceNet二種CAN總線的高層通訊協(xié)議。這兩種協(xié)議各自采用了CAN通訊模塊中的一個CAN通訊節(jié)點，而且所有的通訊參數(shù)是通過上位機軟件人工設置完成，參數(shù)只設置一次(不象有的通訊模塊是通過外部的撥碼開關進行通訊參數(shù)設置)。
本實用新型的裝置中還設置了溫度測量模塊，此模塊可以時時檢測內部溫度的大小，此溫度的值可以提供給外部的控制器。
權利要求1.一種控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，包括單片微型控制器單元以及與該單片微型控制器單元連接的外部開關信號輸入模塊和開關信號輸出模塊，其特征在于還包括分別與單片微型控制器單元連接的一個電源檢測與保護單元、一個CAN總線檢測與保護單元以及一個閉環(huán)反饋網(wǎng)絡單元；所述的電源檢測與保護單元包括電源保護模塊、電源檢測模塊和電源轉換模塊，電源保護模塊和電源檢測模塊的輸入端分別與外部電源連接，電源檢測模塊的輸出端連接電源保護模塊，電源保護模塊的輸出端分別連接電源轉換模塊和脈寬調制驅動模塊，電源轉換模塊的輸出端分別連接單片微型控制器單元和CAN總線檢測與保護單元；所述的CAN總線檢測與保護單元包括CAN總線檢測模塊、CAN總線保護模塊和CAN通訊模塊，CAN總線檢測模塊和CAN總線保護模塊的輸入端分別連接CAN總線，CAN總線檢測模塊的輸出端連接CAN總線保護模塊，CAN總線保護模塊還與CAN通訊模塊輸入輸出相連，CAN通訊模塊還與單片微型控制器單元輸入輸出相連；所述的閉環(huán)反饋網(wǎng)絡單元包括脈寬調制信號驅動模塊、脈寬調制電流反饋模塊和增量編碼器接口模塊，脈寬調制信號驅動模塊的輸入端連接單片微型控制器單元，脈寬調制電流反饋模塊的輸入端連接脈寬調制信號驅動模塊，脈寬調制電流反饋模塊的輸出端連接單片微型控制器單元，增量編碼器接口模塊的輸入端與脈寬調制信號驅動模塊信號相連，增量編碼器接口模塊的輸出端連接單片微型控制器單元。
2.如權利要求1所述的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的單片微型控制器單元采用16位增強功能型單片機XC164，內部集成有DSP模塊、二路控制器局域網(wǎng)控制模塊、脈寬調制信號控制模塊、增量編碼器處理模塊和AD轉換模塊。
3.如權利要求1所述的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的電源保護模塊采用BTS660P。
4.如權利要求1所述的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的電源檢測模塊采用遲滯比較的檢測方式。
5.如權利要求1所述的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的開關信號輸出模塊采用BSP78，其最大的輸出電流可達3A。
6.如權利要求1所述的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的CAN保護模塊內采用了AD4C331固態(tài)繼電器。
7.如權利要求1所述的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的CAN總線檢測模塊采用雙二極管和PNP三極管實現(xiàn)外部CAN總線的電壓變化檢測。
8.如權利要求1所述的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的外部開關信號輸入模塊采用電感電容∏型濾波器和由LM2901設計成的遲滯比較器相結合共同完成對外部開關信號的采集。
9.如權利要求1所述的控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于所述的脈寬調制信號輸出模塊采用BTS840S2作為脈寬調制信號的驅動。
專利摘要一種控制器局域網(wǎng)總線數(shù)據(jù)采集裝置，包括單片微型控制器單元、電源檢測與保護單元、CAN總線檢測與保護單元和閉環(huán)反饋網(wǎng)絡單元。電源檢測與保護單元包括電源保護模塊、電源檢測模塊和電源轉換模塊。CAN總線檢測與保護單元包括CAN總線檢測模塊、CAN總線保護模塊和CAN通訊模塊。閉環(huán)反饋網(wǎng)絡單元包括脈寬調制信號驅動模塊、脈寬調制電流反饋模塊和增量編碼器接口模塊。本實用新型能夠預防外部的各種異常輸入電壓對裝置造成損壞，可保護CAN總線不受損壞，可以直接驅動直流電機、電磁閥和液壓閥，可以防止電流過大而損壞外部設備，兼容性更好，并且使用非常方便。
文檔編號H04L12/40GK2891132SQ20052004789
公開日2007年4月18日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權日2005年12月23日
發(fā)明者王智, 張衛(wèi)東, 王峰, 馬性輝 申請人:上海派恩科技有限公司