基于CAN總線的消防水泵智能檢測系統設計

張 燎，金佛榮，周小軍

ZHANG Liao, JIN Fo-rong, ZHOU Xiao-jun

（甘肅工業職業技術學院 電信學院，天水 741025）

0 引言

消防水泵檢測系統是消防水泵研發與維護的檢測平臺，對改進消防水泵的設計和提高水泵的維護效率，有著極其重要的意義[1,2]。目前國產的檢測系統主要有兩種類型：一是傳統檢測系統[3]，存在硬件集成復雜,人機交互性能差,操作不方便,可靠性低等缺點；二是采用RS485（或RS232）總線技術的檢測系統[4]，雖然結構較為簡單，可靠性較高，但存在通信的吞吐量低、實時性較差、從機的系統開銷大且從機間通信難度大等缺點。隨著信息化、自動化和智能化技術的發展，對檢測系統的布線方式、信號傳輸方式、顯示方式、檢測與診斷方式提出了更高要求[5]，傳統及RS485總線類型的的檢測系統已不能滿足要求，影響了消防水泵的研發與日常維護效率。

文章針對現有消防水泵檢測系統存在的問題，提出了基于CAN總線[5,6]的智能檢測解決方案，不僅實現了檢測系統的小型化，而且實現了檢測的智能化和自動化。

1 CAN總線簡介

CAN即控制器局域網絡（ControllerArea Network），是ISO國際標準化的串行通信協議。由于它具有能完成通信數據的成幀處理、在理論上能使網絡內的節點數不受限制，網絡各節點之間能進行自由通信，數據通信實時性強、開發周期短、結構簡單、可靠性高等優點[7]，使CAN總線已成為國際通用的現場總線，并被公認為是最有發展前途的現場總線之一，倍受工業界的重視，在汽車工業、航空工業、工業控制等領域中得到了廣泛應用。

2 檢測系統網絡設計方案

檢測系統網絡架構由數據采集與處理、虛擬儀表和輔助診斷等三大模塊組成（如圖1所示），各模塊之間可通過CAN總線自由通信，CAN總線通信采用J1939協議[8]。傳感器所測模擬信號由LM8962芯片及附屬電路采集處理，處理結果被發送到CAN總線上，供虛擬儀表電路模塊和輔助診斷模塊讀取。

圖1 檢測系統網絡架構

3 系統設計

通過檢測消防水泵的轉速、扭矩、水泵流量、水泵進出口壓力和介質的溫度等6個參數，就可以計算出衡量水泵性能的揚程、軸功率、效率等關鍵參數，再調用專家庫，可對消防水泵的性能和工況進行評價與鑒定。

3.1 硬件設計

檢測系統由數據采集與處理、虛擬儀表、輔助診斷、測試平臺和軟件等部分組成。

3.1.1 數據采集與處理模塊

數據采集與處理模塊主要由傳感器節點組、信號調理電路、主控模塊（LM8962）、輸出控制模塊、CAN驅動電路等組成。傳感器測量的模擬信號經過信號調理電路的放大和濾波后，主控芯片對模擬信號進行A/D轉換和二次計算等處理，然后向CAN總線發送采集結果。

主控芯片采用的是Luminary Micro公司所提供的一款具有ARM Cortex-M3核心的Stellaris 系列ARM控制器LM3S8962[9]，它具有支持CAN 2.0 A/B的CAN控制接口、4路10位1M次/秒采樣的ADC單元、PWM（脈寬調制器）、QEI（正交編碼器接口）單元及其他一些通用串并行接口。LM3S8962 CAN模塊主要由CAN協議控制器和報文處理器、消息存儲區、CAN寄存器接口三部分組成。

CAN驅動芯片采用的是PHILIP公司的高速CAN 總線收發器TJA1040，它與PCA82C250/251以及TJA1050完全兼容，CAN驅動電路如圖2所示。

圖2 CAN驅動電路

3.1.2 虛擬儀表模塊

虛擬儀表包括計算機硬件和用于數據分析、過程通信以及圖形用戶界面的應用軟件，虛擬儀表主要完成對水泵數據的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。儀表顯示值通過CAN總線從傳感器/控制節點獲得，也能與PC機進行通信，并顯示PC機診斷的結果。

虛擬儀表的主控單元采用的是三星公司的ARM9處理器S3C2440[10]。其核心處理器是由Advanced RISC Machine 有限公司設計的16/32位ARM920T處理器。ARM920T內核時鐘能達到300-400MHZ，并實現了MMU、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構。S3C2440片上集成了外部存儲控制器(SDRAM控制及片選邏輯)、LCD控制器、DMA控制器、UART、SPI等多種功能。由于S3C2440沒有CAN總線接口，可以通過一塊轉換芯片實現CAN總線的接口與通信。

CAN轉換芯片采用的是MicroChip公司的帶有SPI 接口的獨立CAN 控制器MCP2510，它完全支持CAN總線V2.0A和V2.0B技術規范。采用MCP2510實現主控芯片的SPI轉CAN的硬件接口電路如圖3所示。另外，為了連接到CAN網絡上，后級需要接CAN驅動芯片TJA1040。

3.1.3 輔助診斷模塊

PC機輔助診斷模塊主要根據所測數據對消防水泵工況進行診斷，該模塊可根據檢測要求，可靈活配置。輔助診斷模塊主要由PC機和CAN總線接口卡組成，用于分析消防水泵的工況。PC為一臺筆記本電腦，其與CAN的接口采用的是廣州周立功公司的非智能CAN總線接口卡PCI-9810。

3.1.4 測試平臺

根據國標規定，水泵的性能試驗裝置可分為開式試驗裝置和閉式試驗裝置。文章采用了開式試驗裝置，測試裝置的設計是依據GB3216-89要求進行，實驗精度符合國家B級要求，測試平臺如圖4所示。

圖3 虛擬儀表CAN接口電路

圖4 消防水泵測試平臺

3.2 軟件設計

根據已設計好的J1939協議棧[11]，系統軟件設計主要完成各模塊與CAN總線的軟件接口、虛擬儀表和PC診斷模塊的設計。

虛擬儀表采用了嵌入式操作系統Linux 2.6，軟件設計主要包括了顯示與通信兩個部分。其中在通信部分，通過中斷中將CAN報文從CAN總線接收到CAN總線上，并開辟了一個發送線程，不斷將發送緩沖區中報文發送到CAN總線上。虛擬儀表界面如圖5所示。

圖5 虛擬儀表界面

采用C#進行PC診斷模塊的軟件設計，軟件工作流程為：從CAN總線讀取數據，與消防水泵規定的參數進行比較，調用消防水泵專家數據庫，判斷消防水泵工況是否正常，同時將測量和診斷結果存入本機Microsoft SQL Server數據庫，供查詢和打印使用。

4 測試結果

以3DSL-3/17.5型水泵為測試樣本，該水泵的額定工作參數為：流量25m3/h，揚程19米，軸功率2kW，效率61%。根據該水泵的特點，選取了一組測試點進行測試，文章僅列出了轉速為2900的測試點結果（如圖6所示）。結果表明：測試參數與規定參數吻合程度較好，與規定參數比較，軸功率誤差不超過6.2%，揚程誤差不超過8.6%，效率誤差不超過7.5%，說明檢測系統所測參數正確，精度滿足要求，可靠性高。

圖6 測試曲線

5 結論

1）提出了基于 CAN總線的消防水泵檢測系統解決方案，設計了系統的硬件和軟件，并進行了測試，測試結果表明，該系統所測參數正確，檢測操作方便；PC輔助診斷模塊能正確診斷水泵的工況，系統的自動化、智能化程度高；CAN總線整合了系統部件，通信的實時性和可靠性較高；虛擬儀表替代了傳統儀表，布線簡潔明了，檢測數據能集中顯示，節約了開發成本。系統工作的可靠性高，實現了檢測系統的小型化，達到了設計要求。

2）該系統于2012年投入天水市武警消防隊使用，未出現故障，可靠性高，確保了消防裝備的出勤率。

[1]谷昆鵬,于文華.高揚程水泵在我國森林消防中的應用[J].林業機械與木工設備,2009,37(3):13-17.

[2]孫穎,陳劭,于文華,賈大偉,宋楊,黃麗燕. 森林消防泵性能測試系統的設計與實現[J].工程設計學報,2012,19(2):128-130.

[3]王翠翠.基于虛擬儀器水泵性能參數檢測系統的設計與實現[D].沈陽:沈陽理工大學,2009.

[4]范輝.RS485總線與CAN總線應用比較[J].上海電機學院學報,2005,8(5):54-46.

[5]魯植雄,王文偉,袁越陽.基于CAN總線的拖拉機虛擬儀表系統設計[J].農業裝備與車輛工程,2010(2):3-5.

[6]張侃諭, 方正. 適合于溫室控制系統的CAN總線應用層協議開發[J].工業儀表與自動化裝置, 2007, 1:18-20.

[7]Robert Bosch GmbH. CAN Specification Version 2.0 A/B.Bosh Company, 1991,9.

[8]劉劍,沙徽,姜凡.CAN總線及SAE J1939通訊協議在汽車上的應用[J].機電工程技術,2006.35(10):87-89.

[9]周立功,等.Cortex-M3開發指南—基于LM3S8000[M].廣州: 廣州致遠電子有限公司,2006.

[10]Sam sung.S3C2440A 32-BIT CMOS microcontrolleruser’s manual[EB/OL].2004.

[11]夏繼強,李曉軍,曹磊,孫進.SAE J1939協議棧設計及μC/OS-Ⅱ系統下的開發平臺的研究[J].汽車工程,2008,30(12):1069-1074.