混合式CAN總線智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

徐 慧

(河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山 063009)

在工業(yè)現(xiàn)場如何將采集到的數(shù)據(jù)實時、安全、準(zhǔn)確地傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是該監(jiān)控系統(tǒng)需要解決的首要問題，對于這一實際問題通常采用現(xiàn)場總線技術(shù)［1］。CAN(Controller Area Network，CAN)［2］，即控制器局域網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，與一般的通信總線相比，具有突出的靈活、實時和可靠性，便于實現(xiàn)更高水平的監(jiān)控。目前現(xiàn)場智能儀器大多都配有RS-485接口，從而使得RS-485總線通信更為方便，這點較CAN總線通信來說有很大的優(yōu)勢。基于以上分析設(shè)計了一種混合式CAN總線智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以CAN總線為主，當(dāng)部分?jǐn)?shù)據(jù)量較大或需要雙通道數(shù)據(jù)通訊時，節(jié)點間采用一個或多個RS-485總線組成鋪助子網(wǎng)作為CAN 總線的有力補充［3］。

1 總體設(shè)計思路

在本設(shè)計中主控節(jié)點(上位機)通過CAN總線可與智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點(下位機)進行信息交換并負責(zé)對整個系統(tǒng)實施監(jiān)控。CAN總線智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點把采集到的現(xiàn)場信號處理后，經(jīng)總線網(wǎng)絡(luò)傳給主控節(jié)點，主控節(jié)點對終端傳感器檢測到的現(xiàn)場信號做進一步的分析處理來實現(xiàn)對系統(tǒng)的在線檢測，計算分析等。主控節(jié)點配有RS-485通信口并采用MODBUS通信協(xié)議，便于與下位機組成RS-485主從式通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

為了提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的拓撲能力，CAN總線兩端需要有120Ω的抑制反射終端電阻［4］，它對總線阻抗起著非常重要的作用。如果忽略此電阻，會使得數(shù)字通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計是將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)運算處理送到主控節(jié)點，經(jīng)主控節(jié)點對數(shù)據(jù)分析后再反饋到相應(yīng)的智能節(jié)點。因此硬件電路設(shè)計應(yīng)包含兩部分:CAN主控節(jié)點和CAN總線智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點。

(1)CAN主控節(jié)點的設(shè)計

CAN主控節(jié)點的主要任務(wù)是:完成與下位機的通信;顯示下位機上傳來的數(shù)據(jù);顯示故障類型及產(chǎn)生故障的下位機地址;通過發(fā)送上位機的控制指令實現(xiàn)對各智能節(jié)點的控制;最后將下位機上傳的數(shù)據(jù)，主控節(jié)點發(fā)出的命令，各種故障處理的過程等數(shù)據(jù)保存到外部存儲器，其主要構(gòu)成部分有電源模塊、控制模塊、通訊模塊和顯示模塊。

1)電源模塊

電源模塊是電路結(jié)構(gòu)的必備模塊，給電路提供穩(wěn)定的工作電壓，是電路能正常工作的首要條件，其電路連接如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖

2)控制模塊

選用內(nèi)部集成CAN總線控制器的STM32芯片作為主控制器，片內(nèi)集成的RC振蕩器，在不使用片外晶振時就可以讓處理器工作在64MHz下，同時片內(nèi)集成Flash和RAM，還可以提供卓越的計算性能和先進的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。

3)通信模塊

采用CTM1050D芯片來驅(qū)動CAN總線的收發(fā)，該驅(qū)動器集成了所有必需的CAN隔離和CAN收發(fā)器件，它具有DC 2500V隔離和ESD保護作用且符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)。對構(gòu)成穩(wěn)健的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)有極其重要的作用。其連接電路如圖3所示:

圖3 CAN總線模塊電路圖

為了實現(xiàn)與其它設(shè)備的互聯(lián)，增強通用性。RS-485通信口采用MODBUS通信協(xié)議與下位機相連構(gòu)成主從式通信網(wǎng)絡(luò)。其電路如圖4所示。

圖4 RS485總線模塊電路圖

另配RS-232通信口可與工控PC機相連，進一步完善對系統(tǒng)的監(jiān)控。

4)顯示模塊

采用指示LCD燈指示發(fā)生故障的類型，8位數(shù)碼管顯示產(chǎn)生故障的節(jié)點地址。

采用四線觸摸屏用來顯示下位機各節(jié)點的運行狀態(tài)，主控節(jié)點正在執(zhí)行的任務(wù)，并通過人機交互下達控制命令。

(2)CAN總線智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計

CAN總線智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點的主要任務(wù)是采集終端傳感器的信號，并經(jīng)過采樣，運算后報告給主控節(jié)點;并通過執(zhí)行上位機下達的命令完成對各種故障的處理。

下位機除了實現(xiàn)RS-485(BODBUS協(xié)議)總線，CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)外還必須有以下幾個重要模塊。

1)控制模塊

選用內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換電路的STM32芯片作為主控制器，多個I/O接口便于實現(xiàn)8路數(shù)字量輸入，8路模擬量輸入。

2)地址模塊

每個CAN總線智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點都必須有自己唯一的地址以指示故障發(fā)生的位置。因此要有地址譯碼控制電路，在實驗階段可以用撥碼開關(guān)代替。

3)數(shù)/模信號采集模塊

來自現(xiàn)場傳感器的信號電壓不盡相同，因此有必要經(jīng)過周邊驅(qū)動來完成電平轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計

任何一個CAN總線應(yīng)用節(jié)點，無論其復(fù)雜程度如何，其軟件程序設(shè)計應(yīng)包括兩個主要部分:總線通信和本地控制。基于本系統(tǒng)的程序總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在編程時采用高度集成化的STM32庫函數(shù)語句，CAN總線通信協(xié)議［5-6］程序最基礎(chǔ)的是CAN初始化部分，其程序如下:

圖5 程序設(shè)計總體框圖

4 結(jié)束語

基于CAN和RS-485總線的混合式CAN總線智能監(jiān)控系統(tǒng)能很好地完成現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、運算處理、遠程控制與實時監(jiān)控等功能;且該系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守場合的監(jiān)控，同時本系統(tǒng)具有全開放式，有很強的移植性和技術(shù)升級空間，可以廣泛地應(yīng)用到其它監(jiān)控領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景。

［1］劉曉東，華剛.煤礦監(jiān)控系統(tǒng)信息集成的研究與設(shè)計［J］.工礦自動化，2005，(1):62-65.

［2］劉侃，林園，楊艾兵等.基于CAN總線的多點測溫系統(tǒng)的設(shè)計［J］.火箭發(fā)射與控制學(xué)報.2010，9(3):74-77.

［3］曹少華.CAN總線控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與分析［D］.北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

［4］呂昂，周雪嬌.基于STM32的TTCAN Level1節(jié)點的設(shè)計.工礦自動化，2009，10(10):127-128.

［5］王忠.孫浩欽.易茂祥.基于CAN總線智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議設(shè)計［J］.電子科技，2010，7(15):62-65.

［6］Fan Xin，Hu Chun.Design and Research on Air Conditioning Control Network of Electric Vehicle Based on CAN-bus［C］2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.970-973.