1.1目的及意义

在计算机广泛应用的今天，数据采集的在多个领域有着十分重要的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。利用串行或红外通信方式，实现对移动数据采集器的应用软件升级，通过制订上位机(PC)与移动数据采集器的通信协议,实现两者之间阻塞式通信交互过程。在工业、工程、生产车间等部门，通过数据采集分析能够及时的反应系统的工作状况，从而及时的做出应对保证系统始终处于正常的工作状态，在生产和研究中有着重要的意义，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。同时在工业环境中，有着许多突发意想不到的事情发生，需要系统有很强的抗干扰能力和纠错能力，同时需要保证能够尽快的将采集到的数据传输出去，而CAN总线能够适应这种工作要求，能克服恶劣的环境并且进行可靠的传输，基于CAN总线的数据采集系统设计随着工业自动化水平的日益发展，CAN总线在实际中的应用愈发 重要。CAN总线是当前发展前景最广阔的现场总线之一，具有高性价比极高的稳定性和高同步性。CAN总线的研宄正发展成为当今工业领域的热点之一。^[1]CAN总线与其他总线相比有很多与众不同的性质：

（1）可以进行多主设计，报文识别符制约了总线的访问优先权

（2）对错误的处理十分强大，系统能够可靠的运行

（3）通常数据的频率较高，但负载的信息量一般都不多，CAN总线采用的短报文结构使得系统的频带利用率大幅提高，而且即时性好，极大的优化了传输能力。

（4）系统可以灵活的进行配置，很大程度上提高了局域网的扩展能力。

（5）保证了紧急报文能够拥有足够的等待时间。从基端往回发送的时间变化同时决定了从头到尾的等待时长。优先级越高报文越早发送，这样更容易保证信息传输流畅。

1.2国内外研究现状分析

国内数据采集技术和国外相比存在一定差距，主要体现在四个方面：模数转换芯片的转换速度较低、数据采集系统内存较小、信号处理功能不够强大和人机交互水平不高。国内外常用的数据采集系统的有三种分别是多通道的分时复用数据采集系统、多通道的同步数据采集系统以及分布式数据采集系统。多通道的同步数据采集系统相比于多通道的分时复用数据采集系统来说，可以得到同一时刻各个通道的采样数据，并且数据采集的速率更高。分布式数据采集系统适合于数据采集现场比较分散的情况。^[3]

在模数转换方面，随着计算机、通信和多媒体技术的快速发展，模数转换正朝着低功耗、高速和高分辨率的方向不断发展。 通常，A/D转换器具有三个基本功能:采样、量化和编码。如何实现这三个功能，决定了A/D转换器的电路结构和工作性能。A/D转换器的类型很多目前常用的有以下几种模拟/数字转换技术。

（1） 全并行模拟/数字转换
全并行A/D转换器它的工作原理非常简单，模拟输入信号同时与2N-1个参考电压进行比较，只需一次转换就可以同时产生n位数字输出。它是迄今为止速度最快的A/D转换器，最高采样速率可以达到500MSPS。但是，它也存在很多不足。首先，硬件开销大，其功耗和面积与分辨率呈指数关系;其次，结构重复的并行比较器之间必须要精密匹配，任何失配都会造成静态误差。而且，这种A/D转换器还容易产生离散和不确定的输出，即所谓的“闪烁码”。所以，全并行A/D转换器只适用于分辨率较低的情况。 减小全并行A/D转换器的输入电容和电阻网络的级数是提高其性能的关键。为了达到这一目的，采用了各种新技术，如将全并行结构与插值技术相结合，可降低功耗和面积，从而可使全并行A/D转换器进行更高精度的模拟/数字转换。Lane C.设计了一个10位60MSPS转换速率的全并行A/D转换器，通过运用插值技术，将比较器的数目从1023个减小到512个，大大节省了功耗和面积。
（2） 两步型模拟/数字转换
两步型A/D转换器首先，由一个粗分全并行A/D转换器对输入进行高位转换，产生N1位的高位数字输出，并将此输出通过数字/模拟转换，恢复为模拟量;然后，将原输入电压与此模拟量相减，对剩余量进行放大，再送到一个更精细的全并行模拟/数字转换器进行转换，产生N2位的低位数字输出；最后，将这两个A/D转换器的输出并联，作为总的数字输出。 与全并行A/D转换器相比，此种类型的A/D转换器虽然转换速度降低了，但是节省了功耗和面积，解决了全并行A/D转换器中分辨率提高与元件数目剧增的矛盾。因此，两步型A/D转换器可用于10位以上的模拟/数字转换，但是，它对剩余量放大器的要求很高，剩余量必须被放大到充满第二个A/D转换器的输入模拟量范围，否则，会产生非线性和失码。另外，第一级A/D转换器和D/A转换器的建立时间及精度是限制两步型A/D转换器工作速度的一个重要因素，如果建立时间不充分，势必导致转换结果出现误差，所以，大多数两步型A/D转换器都采用了数字校正技术来改善这一问题。Razavi,B.和Wooley,B.A.采用校正技术研制的两步型A/D转换器，其第一级比较器的建立时间只需10ns，失调电压可达到5mV，转换速度高达5MSPS，分辨率为12位。 ^[10]
（3） 插值折叠型模拟/数字转换
其基本原理就是通过一个特殊的模拟预处理产生余差电压，并随后进行数字化，获得最低有效位(LSB)，最高有效位(MSB)则通过与折叠电路并行工作的粗分全并行A/D转换器得到，几乎在对信号采样的同时，对余差进行采样。 折叠电路的传输函数是理想情况，实际电路很难实现。所以，一般的折叠结构都具有非线性，但其过零点处的非线性为0。若只考虑这些过零点，则Vin与Vrj之差的极性可以被正确确定，再采用插值的办法产生额外的过零点来解决低位。^[11]这就是插值折叠的基本思想，它既利用了折叠特性，又不带来额外的非线性。 Vorenkamp,P.等人设计的12位插值折叠型A/D转换器采用三步式级联结构，其中，3位粗分量化，3位中分量化，6位细分量化。该A/D转换器只需50个比较器，转换速度为60MSPS。
（4） 流水线型模拟/数字转换
流水线型A/D转换器是对两步型A/D转换器的进一步扩展。它将一个高分辨率的n位模拟/数字转换分成多级的低分辨率的转换，然后将各级的转换结果组合起来，构成总的输出。每一级电路由采样/保持电路(S/H)、低分辨率A/D转换器、D/A转换器、减法器和可提供增益的级间放大器组成。这种类型的A/D转换器具有以下优点:每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调；每一级都具有各自独立的采样保持放大器，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了转换速度;分辨率相同的情况下，电路规模及功耗大大降低。但它也存在一些缺点:复杂的基准电路和偏置结构；输入信号必须穿过数级电路，造成流水延迟;同步所有输出需要严格的锁存定时；对工艺缺陷和印刷线路板较敏感，这会影响增益非线性、失调及其它参数。

目前，普遍采用两种新技术来提高流水线A/D转换器的性能。一种是时间交织技术，使多条流水线并行工作。通过采用这种技术，可大大提高转换速率，但并行的通道数不能太多，否则，会大大增加芯片面积和功耗，而且各个通路之间需要高度匹配，在工艺上很难实现。Sumanen,L.等人设计了一个具有4个并行通道的流水线A/D转换器，采用0.5μmCMOS工艺实现。该A/D转换器的采样率高达200MSPS，分辨率为10位。另一种新技术就是数字校准技术，其主要思想是将校准周期内测量到的误差存放在存储器中，然后在正常运算周期内，通过原始码寻址，得到校对码，再通过原始码和校对码的运算，得到最终的数字输出。这种技术可对模拟电路的失调不匹配以及非线性引入的误差等进行有效的校正，从而使流水线A/D转换器的精度超过10位。Hakarainen,V.等人研制的交织型流水线A/D转换器，运用这种校正技术来校正子D/A转换器的误差，并对各并行通道之间增益和失调电压的失配进行补偿，从而在10位的器件匹配精度下获得了14位的转换精度。
（5） 逐次逼近型模拟/数字转换
逐次逼近型A/D转换器其工作原理如下:输入信号的抽样值与D/A转换器的初始输出值相减，余差被比较器量化，量化值再来指导控制逻辑是增加还是减少D/A转换器的输出;然后，这个新的D/A转换器输出值再次从输入抽样值中被减去，不断重复这个过程，直至其精度达到要求为止。由此可见，这种A/D转换器在一个时钟周期里只完成1位转换，N位转换就需要N个时钟周期，故它的采样率不高，输入带宽也较低;但电路结构简单，面积和功耗小，而且不存在延迟问题。 逐次逼近型A/D转换器的一个关键部分就是D/A转换器，它制约着整个A/D转换器的精度和速度。D/A转换器传统的制作方法是用精密电阻网络实现，但是它的精度不高。以电容阵列为基础，采用电荷重分布技术的D/A转换器可以获得更高的精度，这主要是由于在MOS电路中比较容易制造出小容量的精密电容，而且电容损耗极小。Gan,J-H等人采用非二进制的电容阵列结构实现D/A转换器，并采用自校准技术提高电容的匹配度，使D/A转换器的精度高达22位，制作出功耗为50mW的16位1.5MSPS高性能逐次逼近型A/D转换器。
（6） Σ-Δ模拟/数字转换
Σ-Δ A/D转换器它由Σ-Δ调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积分器和比较器，以及含有一个1位D/A转换器的反馈环，具有噪声整形功能，将量化噪声从基带内搬移到基带外的更高频段，从而提高了信噪比。而且，在进行Σ-Δ调制时，以远高于Nyquist采样率的频率对模拟信号进行采样，可减少基带范围内的噪声功率，使转换精度进一步提高。经调制器输出的是1位的高速Σ-Δ数字流，包含大量高频噪声，因此需要数字滤波器，滤除高频噪声，降低抽样频率。 Σ-ΔA/D转换器是目前精度最高的A/D转换器。此外，它还具有极其优越的线性度、无需微调，以及更低的防混淆等优点。但是，过采样技术要求采样频率远高于输入信号频率，从而限制了输入信号带宽;而且，随着过采样率的提高，功耗会大大增加。因此，在保证一定精度的前提下，尽可能地降低过采样率变得十分关键。目前普遍采用的方法主要有两种:多级噪声整形技术(MASH)，该技术采用多个级联的、稳定的一阶或二阶回路;另一种是多位结构的Σ-Δ A/D转换器，该结构含有一个n位并行A/D转换器和一个n位D/A转换器。为了获得更好的效果，通常将这两种方法结合使用。2001年，delRio,R.等人为ADSL应用设计的4阶Σ-Δ调制器采用2-1-1三级结构，其中最后一级含有4位量化器。该A/D转换器的过采样率仅为16，分辨率12位，采样率为4MSPS，功耗77mW。 另外，还有几种新技术被应用到Σ-Δ A/D转换器中，以提高其性能。带通Σ-Δ A/D转换器采用带通滤波器替代积分器，量化噪声被向上和向下移出有用频带，再由带通数字滤波器将有用频带外的其他信号和量化噪声滤除，从而直接对中频信号进行高精度转换。Schreier,R.等人采用0.35μm BiCMOS工艺制作的带通Σ-Δ A/D转换器，其带宽为333kHz，动态范围90dB，功耗为50mW，时钟频率高达32MHz。采用异质结工艺制作的连续时间Σ-Δ A/D转换器，其带宽比开关电容型Σ-Δ A/D转换器大得多，从而使Σ-Δ A/D转换器可用于射频领域。一个采用InPHBT工艺实现的二阶Σ-Δ调制器，其分辨率为12位，信号带宽为50MHz，采样率为3.2GHz。将多个Σ-Δ A/D转换器并联起来，对输入进行模拟预处理，对输出进行数字后处理，可获得与提高过采样比一样的效果，实现奈氏采样率的Σ-Δ A/D转换器(过采样比为1)，从而进一步提高输入信号带宽。奈氏采样率Σ-Δ A/D转换器，其并行通道数为8，输入信号带宽为160kHz。

在CAN总线方面，CAN总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。在国内，对于CANopen协议的研究都还停留在控制网络中，而且这些研究都基于国外成熟的商业控制和仿真软件。忽略CANopen节点的设计，只注重CANopen节点的使用。在开源社区的支持之下，近年来我国CANopen得到了快速的发展，在工业控制领域表现出极强的适应性。在国外，CANopen协议被广泛的应用于各个工业控制领域，目前，许多国外的大型公司都已经开发出来基于CANopen协议的软硬件产品。^[2] 随着微处理器性价比的不断提升和广泛应用，产生了以微处理器为核心，将各功能实现集中在同一模块内部的智能化模块降低负责监控任务的主机的负担，实现过程控制的智能化。^[16]