基于CAN 總線的閥門電動裝置測試系統

紀慧泉 紀金泉

1.揚州商務高等職業學校信息電子系；2.揚州電力設備修造廠

基于CAN 總線技術，以ARM 處理器為核心，通過CAN 收發器構成閥門電動裝置測試儀的通訊接口，通過現場的測試儀完成電動執行機構的出廠質量檢測，檢測數據通過CAN 總線傳輸到上位機。本文介紹了整個系統的結構、測試儀的硬件結構、CAN 總線的傳輸協議、CAN 智能節點的硬件及軟件設計。

概述

驅動閥門的電動執行機構涉及門類多、品種復雜、量大面廣，其質量好壞、技術水平高低直接影響著各工業系統的性能和安全可靠性。為了保證電動執行機構的出廠質量，我校研究人員與一家專業生產閥門電動執行機構的廠家聯合開發了一種電動執行機構測試系統，此測試系統要求嚴格遵循中華人民共和國電力行業《電站閥門電動執行機構》標準。為了保證測試系統數據上傳的準確性、實時性，現場采用技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的CAN 總線遠程通訊方式。

采用CAN 總線后，通訊采用兩根信號線，實現將測試儀的檢測數據上傳，上位機軟件通過上傳的數據分析，并根據分析的結果對測試儀發送合格、不合格、再傳一次的命令，產品合格將檢測數據存儲并打印合格證等。

系統的功能與結構

電動執行機構在出廠前必須標定其性能指標，傳統的檢測方法效率低測試過程復雜，而且測試結果的精確度受操作人員影響，研制開發工業用電動執行機構測量系統，對保障工業安全，提高自動化程度，具有重要的意義。采用所開發的測試系統與傳統測試方式相比，在測試范圍、測試精度、測試效率上均有明顯提高，而且能夠記錄下測量的數據，便于保存出廠參數。電動執行機構測試系統能夠準確方便的測試，為產品的質量提供了有力保障，提高了企業產品的競爭力和生產效率，為企業帶來了巨大的效益。

系統的功能

根據《電站閥門電動執行機構》規定，電動執行機構在出廠前必須對如下方面進行測試。

開關型：必測項目有堵轉轉矩、最大控制轉矩、最小控制轉矩、設置轉矩、輸出轉速、最大控制轉矩位置、最小控制轉矩位置；抽測項目有最大控制轉矩重復偏差、行程重復偏差等。

調節型：必測項目有堵轉轉矩、最大控制轉矩、最小控制轉矩、設置轉矩、輸出轉速、最大控制轉矩位置，最小控制轉矩位置、基本誤差；抽測項目有最大控制轉矩重復偏差、行程重復偏差、回差、死區、阻尼特性等。

測試儀測試的上述數據通過CAN總線傳輸到上位機，上位機軟件根據數據的分析結果發出指令。

系統的結構

本測試系統采用網絡拓撲結構，如圖1 所示，它由PC 機、CAN 接口卡、測試儀等組成。上位機通過CAN接口卡與現場測試儀進行通信，完成測控系統的信息傳輸。

測試儀硬件設計

硬件電路的組成部分

圖1 電動執行機構測試系統結構圖

數字量輸入信號經光耦隔離送到CPLD，再傳輸到ARM 處理經CPLD 輸出；模擬量輸入，由于測量精度要求較高，故選用24 位的AD7731，AD7731 是美國ADI 公司開發的24 位模數轉換器件，采用∑-△轉換技術，具有低噪聲、高分辨率、高可靠性及線型性好等特點，可直接接受來自傳感器的輸入信號，無需加傳統的程控放大器、調理電路等，適合測量寬動態范圍的低頻信號；模擬量的輸出采用16 位DAC 芯片；數據存儲通過EEPROM 實現，EEPROM 存儲的數據包括標定、動態的測量值；顯示與打印由LCD與微型打印機實現；指示燈通過光繼電器驅動；電動執行機構與加載機構通過接觸器驅動；數據上傳是基于CAN 總線實現。

測試儀的簡要工作過程

將電動執行機構安裝在測試臺架上，使轉距控制不起作用，通過開關量的輸出使電動執行機構啟動并逐漸加載，經脈沖采樣信號測試轉速，直到電動機停止為止，進行堵轉轉矩測試。輸出轉距通過A/D 采集并在LCD 顯示、自動記錄到EEPROM 中。

控制轉矩的測試是將轉距控制機構在開、關方向分別調至目的轉距，通過開關量的輸出使電動執行機構啟動并逐漸加載，力矩開關動作通過開關量傳輸到CPLD 直至ARM，輸出力矩通過A/D 采集并在LCD 顯示、自動記錄到EEPROM 中。

轉矩重復偏差的測試過程是將轉距控制機構在開、關方向調至最大控制轉距，在開、關方向通過開關量輸出，分別空載啟動電動執行機構，逐漸加載直至轉距控制機構動作，通過開關量輸入到ARM，測量通過A/D 采集，輸出轉距值在LCD 顯示，開關方向各測量三次，按DL/T 641 標準計算控制轉距的重復偏差值并自動記錄到EEPROM 中。

行程重復偏差、基本誤差、回差、死區、阻尼特性等根據DL/T 641 標準測試，最后將測試結果通過CAN 總線傳輸到上位機，上位機接收到數據，分析后向下位機發出指令，如果上位機指示合格將測試數據通過微型打印機打印出來。

電動執行機構測試儀硬件框圖如圖2。

CAN 智能節點的硬件設計

CAN 智能節點的硬件設計如圖3 所示：由ARM 微控制器、CAN 總線收發器、高速光耦、電源隔離模塊等組成。

圖2 電動執行機構測試儀硬件框圖

微控制器集成有CAN 控制器，使得系統的體積小、功率低、抗干擾性好、減少系統設計的復雜度且可靠性高，符合CAN2.0B 標準。

CAN 收發器是控制器局域網協議控制器和物理總線之間的接口，可以為CAN 總線提供不同的發送性能，為CAN 控制器提供不同的接收性能，它有如下的特征：與“ISO11898”標準完全兼容、速度高（最高可達1M 波特）、低電磁輻射、帶有寬輸入范圍的差動接收器、可抗電磁干擾、沒有上電的節點不會對總線造成干擾、發送數據控制超時功能、發送禁能時的靜音模式、在暫態時對總線引腳進行保護、輸入級與3.3V 裝置兼容、熱保護、對電源和地的防短路功能、可以連接至少110 個節點。

采用DC-DC 模塊與光電隔離器件，可抑制電磁干擾，保護系統不受網絡的影響。通過隔離模塊使系統節點之間在電氣上隔離并獨立，為了提高節點的穩定性和安全性，在CAN 總線的兩端加一限流電阻，對于總線的阻抗匹配起著重要的作用，可提高數據通訊的抗干擾性及可靠性，CANH 和CANL 與地之間并聯一個濾波電路，可以濾除總線上的高頻干擾并有一定的防電磁輻射的能力。

通訊協議

本系統采用CAN2.0B 協議幀格式，CAN2.0B 標準同時支持11 位標識符和擴展的29 位標識符，規范定義了傳輸層，并定義了CAN 協議在周圍各層中所發揮的作用，系統選擇了11 位標識符的標準，基于HILONB 協議定義了應用層的協議。CAN 標準幀信息為11 位：信息和數據部分。

下位機發送到上位機時數據格式為：前三個字節為信息部分，字節1 為幀信息，FF 表示幀格式，標準幀時為0，RTR 表示幀類型，為0時為數據幀，為1時為遠程幀，DLC 在數據幀時表示數據的實際長度，字節2、3 位為報文識別碼，ID 高7 位表示源地址，地址范圍為1～125，ID 低3 位為幀類型，字節4 為目的地址，地址范圍為1～125，字節5 為索引字節，字節6～11 為實際的數據。

上位機發送到下位機時數據格式為：前三個字節為信息部分，字節1 為幀信息，FF 表示幀格式，標準幀時為0，RTR 表示幀類型，為0 時為數據幀，為1時為遠程幀，DLC 在數據幀時表示數據的實際長度，字節2、3 位為報文識別碼，ID 高7 位表示源地址，地址范圍為1～125，ID 低3 位為幀類型，字節4 為目的地址，地址范圍為1～125，字節5 為索引字節，字節8 為命令字節，下位機通過此字節判斷要執行的命令，其余的數據位無效。

圖3 CAN 智能節點的硬件設計

通訊系統的軟件設計

通訊開發環境選用ARM 公司的開發工具ADSV1.2，支持C/C++編譯鏈接。程序的編寫主要是針對驅動程序的開發，主程序只要調用驅動程序就可以了，驅動程序包含如下的部分：CAN 控制器的初始化、CAN 控制器發送數據、CAN 控制器發送命令、CAN 控制器接收數據、CAN 控制器中斷處理。

初始化CAN 模塊函數

初始化CAN 模塊函數主要用來設置CAN 工作時的參數，工作前必須進行此項設置。初始化的內容包含：硬件使能CAN、設置CAN 報警界限、設置總線波特率、設置中斷工作方式、設置CAN 驗收過濾器的工作方式、設置CAN 控制器的工作方式等。初始化時首先要復位CAN控制器，一些寄存器只有在復位時才能修改其值，進入工作模式前必須調用使能函數。

CAN 控制器有接收過濾設置，系統采用全局接收濾波方式，包含512×32（2K）的RAM，通過軟件處理，可在RAM 中存放1～5 個標識符表格，能滿足設計復雜的ID 接收過濾的要求。當CAN 控制器的接收端已接收到一個完整的標識符，它將通知接收過濾器，接收過濾器響應這個信號，并讀出控制編號、標識符尺寸，然后，接收搜索AF RAM 中的表格進行匹配，以決定接收或放棄這一幀信息。

CAN控制器接收過濾設置步驟：建立標準幀表格內容、建立一個LUT 表格、初始化標準幀范圍表格、設置接收過濾器模式。通過上述設置，即可完成所要的過濾條件。

發送數據

系統將需上傳的臺號、工號、出廠編號、產品類型、調節型基本誤差、輸出轉速、堵轉轉矩、最大最小控制轉矩、轉矩位置、設置轉矩、回差、死區、轉矩重復偏差、行程重復偏差、阻尼特性等按上傳的數據按協議分幀上傳，在發送前先查詢發送緩沖區是否有數據，如果發送緩沖區為空，可將上傳的數據寫入發送緩沖區，并啟動發送，延時一段時間，通過查詢寄存器的位判斷發送是否成功，當發送成功時方可進行后續幀的傳輸。

接收數據

圖4 通訊部分軟件流程圖

為了提高系統效率，采用中斷接收。當ID 滿足接收過濾設置的范圍時，即進入中斷接收，程序通過接收到的狀態信息與數據信息，根據協議進行相關的處理。

異常情況處理

當總線出現出錯警告、數據溢出、錯誤認可、仲裁丟失、總線錯誤時，將進入異常中斷處理并清除相關的標志位，以便CAN 控制器能夠持續的工作。如果沒有異常處理，將會出現接收緩沖區的數據不能釋放，從而引起后面的數據丟失，所以異常情況的處理比較重要。

通訊部分軟件流程圖如圖4所示。

結束語

基于CAN 總線技術，以ARM 系列微控制器為核心，采用CAN 收發器構成的電動執行機構測試系統，為企業產品的質量提供了有力的保證，并有效地提高了測試工作人員的工作效率和檢測可靠性。