CAN總線在港口裝卸設(shè)備檢測中的應(yīng)用

摘要 針對目前部分港口設(shè)備購入較早，并沒有配備最先進的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，本文提出了利用現(xiàn)場總線中的CAN總線技術(shù)，開發(fā)港口裝卸設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式總線型結(jié)構(gòu)，即由相應(yīng)節(jié)點對所有現(xiàn)場參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換由進行處理，對提高系統(tǒng)的可靠性，降低維護維修工作量有重要的現(xiàn)實意義。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計方案可以大大提高港口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性。

關(guān)鍵詞 CAN總線 港口裝卸設(shè)備

中圖分類號： TP27 文獻標識碼：A

Application of CAN Bus in the Testing of Port Handling Equipment

DENG Xiaokun[1]， ZHANG Runyu[2]

([1]Qingdao Harbour Vocational and Technical College， Qingdao， Shandong 266404;

[2]Qingdao News.com， Qingdao， Shandong 266000)

AbstractFor the situation that part of port equipments were bought early， and didn't equip with the most advanced remote monitoring system， this paper presents the use of field bus CAN bus technology， the development status of port handling equipment， data acquisition system. The system uses a distributed bus architecture， that is， from the corresponding field parameters for all nodes in the collection， conversion by the processing， to improve system reliability， reduce maintenance and repair work has important practical significance. Experimental results show that the design can greatly improve the port facilities and reliability of data transmission speed.

Key wordsCAN bus; port handling equipment

0 引言

港口吞吐量保持高速增長推動了港口機械大型化和高效化的發(fā)展，對設(shè)備的可靠性提出了更加嚴格的要求。目前，我國很多港口的大型港口裝卸設(shè)備基本都在出廠時配備了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，但是還有很多港口的裝卸設(shè)備處于超期服役狀態(tài)，且工況比較惡劣。大多數(shù)港口針對這些設(shè)備仍主要沿用傳統(tǒng)的“定期保養(yǎng)，事后維修”制度。本文提出了利用現(xiàn)場總線中的CAN總線技術(shù)，開發(fā)港口裝卸設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式總線型結(jié)構(gòu)，即由相應(yīng)節(jié)點對所有現(xiàn)場參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換由進行處理，對提高系統(tǒng)的可靠性，降低維護維修工作量有重要的現(xiàn)實意義。

1 CAN總線及其特點①

CAN 總線是近年來比較流行的一種具有國際標準的現(xiàn)場總線。由于其高可靠性 、靈活性等特點，越來越受到人們的重視并被廣泛應(yīng)用。

（1）短報文結(jié)構(gòu)。由于港口現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸特點為傳輸頻率較大，但是每次信息量不多，因此CAN總線的這種短報文格式既保證了系統(tǒng)的實時性又充分利用了帶寬，傳輸效率大大提高。（2）確保緊急報文的等待時間。（3）總線訪問優(yōu)先權(quán)取決于報文標識符，使得多主設(shè)計成為可能。（4）強有力的錯誤處理能力，為系統(tǒng)的可靠運行創(chuàng)造良好的條件。（5）配置靈活，方便局域網(wǎng)進行擴展。

CAN 總線自身的這些特點使 CAN 總線能夠有效地支持港口設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這種分布式實時檢測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成

根據(jù)港口的實際需求，需要采集的參數(shù)主要包括各個關(guān)鍵受力點的動態(tài)應(yīng)力、數(shù)據(jù)關(guān)鍵部位的振動數(shù)據(jù)、工作環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)、設(shè)備吊鉤的高度及旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)等參數(shù)，這些參數(shù)總體可分為模擬量和數(shù)字量。

本系統(tǒng)主要可分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸和上位機數(shù)據(jù)處理兩大部分。分別負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號的采集傳輸和數(shù)據(jù)處理?；贑AN總線港口裝卸設(shè)備數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)組成概況圖如下圖1所示。

圖1基于CAN總線港口裝卸設(shè)備數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)組成概況圖

（1）數(shù)據(jù)采集傳輸部分:包括港口現(xiàn)場傳感器、CAN總線信號采集節(jié)點，主要完成采集信號從物理量到模擬量的轉(zhuǎn)換以及信號調(diào)理并完成數(shù)字化，通過CAN總線傳送到上位機。CAN總線信號采集節(jié)點又分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點和監(jiān)控機主節(jié)點。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要針對港口現(xiàn)場設(shè)備采集的信號設(shè)置數(shù)據(jù)采集節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點在接收到監(jiān)控機主節(jié)點發(fā)送的詢問命令后，通過CAN總線將存放在節(jié)點數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點。主節(jié)點將節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)通過PCI-CAN通訊卡傳輸進上位機。

（2）上位機數(shù)據(jù)處理部分:完成從現(xiàn)場節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行信號處理、相關(guān)參數(shù)的標定、歷史數(shù)據(jù)的查詢、實時數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示、對顯示圖形的打印、現(xiàn)場狀態(tài)的判斷。

3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的功能需求，本系統(tǒng)選擇由美國Cygnal公司推出的C8051F040型單片機，此款芯片是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，因其片內(nèi)集成了一個CAN2.0B控制器，可以很好的滿足系統(tǒng)的需要 。以C8051F040為核心的數(shù)據(jù)采集節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。

圖2以C8051F040為核心的數(shù)據(jù)采集節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)框圖

3.1 模擬量節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計②

由于C8051F040單片機自帶A/D轉(zhuǎn)換部件，所以對模擬量的采集設(shè)計相對簡單。通過傳感器傳過來的信號進行簡單的調(diào)理轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號，然后通過一個采樣電阻電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。最后由單片機對信號進行處理。在設(shè)計中采用高精度線型光電耦合芯片完成信號電流到電壓轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)了模擬信號的高精度數(shù)據(jù)采集，

在本系統(tǒng)選用光電耦合器將模擬電路與數(shù)字電路進行電氣隔離。普通光電耦合器具有非線性電流傳輸特性，這對于數(shù)字量和開關(guān)量的傳輸不成問題，但對于模擬量的傳輸精度則很差。本系統(tǒng)選用HP 公司生產(chǎn)的一種高線性度模擬光電耦合器HCNR201進行隔離。然后將采集的數(shù)據(jù)送給單片機進行處理。

3.2 數(shù)字量節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

港口設(shè)備中許多的數(shù)字脈沖量需要實時、迅速、準確地測量。需要將脈沖量進行相應(yīng)的調(diào)理。數(shù)字信號調(diào)理主要完成信號整形等功能。脈沖信號經(jīng)過比較器，高速光電隔離，脈沖整形后，進入單片機計數(shù)，最后通過 CAN收發(fā)模塊，將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

3.3 CAN節(jié)點通訊模塊設(shè)計

C8051F040型芯片自帶CAN2.OB(全功能CAN)控制器，方便了在 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的通信。CAN 控制器包含一個 CAN 核、消息 RAM（獨立于 MCU 核心的 RAM）、消息處理狀態(tài)機和控制寄存器。外加一個CAN收發(fā)器件(TJA1050等)，即可連入CAN網(wǎng)絡(luò)。為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在CAN控制器引腳CANTX、CANRX和收發(fā)器TJA1050之間并不是直接相連，而是通過由高速光耦6N137 構(gòu)成的隔離電路后再與TJA1050 相連。6N137 為高速光耦，最高傳輸速度能達到 10MBit/s，并能實現(xiàn)最高 3KV 的電氣隔離。CAN節(jié)點通訊模塊原理圖如圖5所示。

圖5CAN節(jié)點通訊模塊原理圖

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計中，軟件方面主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊程序、CAN收發(fā)模塊程序。CAN收發(fā)模塊程序流程圖如圖6所示。CAN收發(fā)軟件設(shè)計主要包括三部分：系統(tǒng)初始化程序、發(fā)送程序和接收程序。

圖6CAN收發(fā)模塊程序流程圖

節(jié)點在接收數(shù)據(jù)時有兩種接收方式：查詢方式和中斷方式。本系統(tǒng)采用中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。采用中斷方式接收時 ，下位機節(jié)點在 BUS通訊協(xié)議把數(shù)字信號送到現(xiàn)場處理器進行處理、計算、顯示和上傳。

4 結(jié)語

使用 CAN總線檢測港口設(shè)備數(shù)據(jù)采集相對成本低，且設(shè)計實現(xiàn)簡單，發(fā)現(xiàn)故障迅速，功耗較低 ，經(jīng)過實驗測試結(jié)果證明，CAN總線完全可以達到港口裝卸設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸要求，有效提高了系統(tǒng)的可靠性 。

注釋

①鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002.

②饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.